WO2021190732A1 - Versorgungseinrichtung für eine hochstromlast und anordnung mit der versorgungseinrichtung - Google Patents

Versorgungseinrichtung für eine hochstromlast und anordnung mit der versorgungseinrichtung Download PDF

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Matthias Burkhardt
Andre SCHÖN
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Definitions

  • Supply device for a high current load and arrangement with the supply device
  • the invention relates to a supply device for a high current load.
  • High current loads are energy consumers who require a high current of more than 1 kA, in particular more than 5 kA.
  • Examples of high current loads are electric arc furnaces and electrolysis systems.
  • the electrical energy supply or connection of high-current loads on a large technical scale is currently mostly carried out using high-voltage or telnapssorganizen and corresponding power electronics. These include above all high-voltage and medium-voltage transformers, high-current rectifier circuits and the like.
  • the solutions currently in use, however, are not scalable or only partially scalable with the power: The share of the costs for transformers and rectifier circuits or power electronics increases disproportionately when the power is increased.
  • FIGS. 1 and 2 Possible examples of a connection of an offshore wind park for supplying energy to an electrolysis plant are shown in FIGS. 1 and 2.
  • a wind farm 1 which consists of several wind turbines 2a-2c, is connected in a decentralized manner.
  • each wind turbine 2a-2c is connected to a respective electrolysis system 7a-7c via its own turbine generator 3a-3c and its own turbine converter 4a-4c as well as via a transformer 5a-5c assigned to the respective wind turbine with an also assigned rectifier 6a-6c .
  • the gas generated by the electrolysis systems 7a-7c is fed to a central offshore gas terminal 8 and then transported to land using a suitable gas transport infrastructure (eg gas pipeline, LNG tankers or reformed methanol) 9.
  • a suitable gas transport infrastructure eg gas pipeline, LNG tankers or reformed methanol
  • FIG. 2 A central integration of a wind park is shown in FIG.
  • the wind turbines 1 a-1 c are connected to a central rectifier 11 via a central offshore transformer 10.
  • the central rectifier 11 supplies the electrical energy for operating an electrolysis system 12.
  • FIGS. 1 and 2 can only be carried out with great effort in the offshore area. In particular, these solutions require a gas-specific offshore infrastructure as well as downstream processing and transport systems in order to transport the chemically bound energy from the offshore area to the onshore area.
  • FIG. 1 An example of a supply device 20 for an electrolysis system 21 according to the prior art is shown in FIG.
  • the supply device 20 comprises a thyristor-based converter 22, which can be connected on the AC voltage side by means of a network transformer 24 to an AC voltage network.
  • a converter current I DC and a converter voltage V DC can be generated, which can be used to supply the electrolysis system 21.
  • V DC converter voltage
  • the scalability of the supply device 20 is relatively limited. With increasing electrical connected load of the electrolysis system 21, disproportionately increasing costs in relation to the power electronics, in particular of the network transformer 24 and the rectifier circuit of the converter 22, are to be expected.
  • the object of the invention is to propose a supply device for a high-current load that is as efficient and inexpensive as possible, especially at high power, and as reliable as possible.
  • the object is achieved according to the invention by a supply device for a high current load with a voltage converter, the voltage converter comprising a first partial converter and a second partial converter, the partial converters being connected to one another in a converter series circuit between a first and a second primary-side DC voltage pole , the second partial converter being connected between a first and a second secondary-side DC voltage pole, the partial converters each having at least one AC voltage connection which are connected to one another by means of a coupling device, so that electrical power can be exchanged between the first and the second partial converter, where in which the secondary-side DC voltage poles are set up for connection to the high-current load.
  • the primary-side DC voltage poles of the voltage converter comprise a primary-side DC voltage connection for connection to a primary-side DC voltage network.
  • the secondary-side DC voltage poles of the voltage converter comprise a secondary-side DC voltage connection for connection to a secondary-side DC voltage network. Since the voltage strength of the converter series circuit is greater than the voltage strength of one of the two partial converters, the primary-side DC voltage network can have an operating voltage that is greater than the operating voltage of the secondary-side DC voltage network.
  • the primary-side DC voltage connection can therefore be referred to as the high-voltage side and the secondary-side DC voltage connection as the low-voltage side.
  • the coupling device is set up to transfer excess power from the first partial converter to the second partial converter.
  • An advantage of the supply device according to the invention is its scalability, both with regard to the voltage to be generated and with regard to the output current to be supplied . Furthermore, the supply device according to the invention shows a higher and lower power electronic efficiency compared to the prior art Current load of a transformer that may be used in the coupling device.
  • the first partial converter suitably comprises at least one first phase branch, which extends between the first primary-side DC voltage pole and the first secondary-side DC voltage pole, and in which the power semiconductor and a first AC voltage connection are arranged.
  • the second partial converter comprises at least one second phase branch, which extends between the first secondary-side DC voltage pole and the second secondary-side DC voltage pole, and in the power semiconductor and a second AC voltage connection are arranged, the AC voltage connections being connected to one another by means of the coupling device.
  • the power semiconductors are expediently controllable power semiconductor switches which can be switched on and / or switched off and which can be controlled by means of a suitable regulating or control device.
  • the respective number of power semiconductors in each phase branch is basically arbitrary and can be adapted to the respective application.
  • each of the partial converters can comprise several phase branches connected in parallel, for example identically structured.
  • the coupling device expediently comprises a coupling transformer whose primary side or primary winding is connected to the first AC voltage connection of the first partial converter and the secondary side or secondary winding is connected to the first alternating voltage connection of the second partial converter.
  • the two partial converters are inductively coupled with galvanic separation realized between the AC voltage connections.
  • a three-winding transformer or a coupling device with comparable functionality can also be used, as will be explained in more detail below.
  • the supply device can be used particularly advantageously in the case of a high-current load, which is an electrolysis system (or fuel cell) or an arc furnace system.
  • the second partial converter is a line-commutated partial converter, in particular a thyristor-based partial converter.
  • a line-commutated converter is characterized in particular by the fact that the commutation processes in its operation are usually determined by the connected network.
  • a line-commutated (line-commutated) converter can include power semiconductors that can be switched on but not switched off.
  • a thyristor-based partial converter accordingly comprises a series connection of thyristors in its phase branch, preferably in each phase branch.
  • the second partial converter can be a passive partial converter, in particular a diode-based partial converter.
  • the diode-based partial converter includes a series connection of power diodes in each of its phase branches.
  • a particularly robust system design can be achieved by using passive power semiconductors such as diodes.
  • the second partial converter is a double-yristor-based partial converter (anti-parallel thyristors).
  • the partial converter includes a series connection of in each of its phase branches Thyristor switching units, each thyristor switching unit having thyristors connected in anti-parallel. Energy recovery can be made possible by means of such a bidirectional thyristor bridge.
  • the conversion of H2 back to a lower DC voltage is procedural, so that a particular advantage here is that the DC voltage on the low voltage side can be variably reduced to 0 kV.
  • the first partial converter is a so-called modular multi-stage converter (MMC).
  • MMC comprises a series connection of switching modules in the (each) phase branch.
  • Each of the switching modules has power semiconductors that can be switched off and an energy storage device in the form of a switching module capacitor.
  • the switching modules can be suitably grouped in the phase branch, so that two converter arms are formed, between which the AC voltage connection is arranged. If the first partial converter is designed as an MMC and the second partial converter as a line-commutated or passive converter, the excellent voltage scalability of the MMC can be combined in a particularly advantageous manner with the high current-carrying capacity of the second partial converter.
  • the first partial converter can comprise switching modules, by means of which unipolar switching module voltages can be generated, in particular special half-bridge switching modules.
  • This type of switching module is distinguished in particular by the fact that a positive switching module voltage (which corresponds to an energy storage voltage applied to the energy store of the relevant switching module) or a zero voltage is applied to their connections are producible.
  • the advantage of such switching modules is their relatively simple structure and relatively low losses in operation. In this configuration, a particularly high efficiency of the supply facility can be achieved.
  • the first partial converter can comprise switching modules, by means of which bipolar switching module voltages can be generated, in particular full-bridge switching modules.
  • Full-bridge switching modules are characterized by the fact that a bipolar voltage can be generated at their connections, i.e. both a positive and a negative switching module voltage.
  • the amount of the switching module voltage essentially corresponds to an energy storage voltage applied to an energy store of the full-bridge switching module.
  • the switching modules of this type have the advantage of being able to build up a counter voltage if necessary. Feeding back the low-voltage side (high-current side) to the DC fault can thus be prevented or avoided. In this way, protection of the partial converter in the event of short circuits on the high-voltage side can advantageously be implemented.
  • both the first and the second partial converter comprise half-bridge switching modules and / or full-bridge switching modules. If both the first and the second partial converter are transistor-based or designed as MMC, then both the DC current on the secondary or DC undervoltage side and the secondary-side output voltage on the DC voltage converter can be set almost optimally. In addition, the proportion of current and voltage harmonics can advantageously be minimized.
  • the second partial converter in particular, can be designed as a 2- or 3-level converter known from the prior art due to the comparatively low DC output voltage.
  • a DC voltage power switch is provided which is connected to one of the primary or upper voltage-side DC voltage poles.
  • a sol- DC breakers can be used to protect against short circuits on the high-voltage side of the DC voltage converter.
  • the voltage converter is preferably designed for a voltage conversion with a voltage transformation ratio of primary-side to secondary-side voltage of 2 to 20.
  • the power range of the DC voltage converter is preferably between 1 MW and 1000 MW.
  • the DC voltage on the upper voltage side scales from 1 kV to above the 1 MV limit to match the power range.
  • the two partial converters are each designed at least two-phase.
  • the first partial converter comprises at least one third phase branch, which extends between the first primary-side DC voltage pole and the first secondary-side DC voltage pole, and in which the power semiconductor and a third AC voltage connection are arranged.
  • the second partial converter comprises at least one fourth phase branch, which extends between the first secondary-side DC voltage pole and the second secondary-side DC voltage pole, and in which the power semiconductor and a second AC voltage connection are arranged.
  • the arrangement can be expanded accordingly to three or more phases in the manner shown.
  • the coupling device has a coupling connection which is set up to connect the arrangement to an AC voltage network. This allows power to be exchanged with the AC voltage network.
  • the coupling connection is preferably a tertiary winding of a coupling transformer. Instead of 3-winding transformers, a 2-winding transformer is also possible for each partial converter in this context.
  • the supply device or the voltage converter can comprise a third converter-part connected to the second converter in a parallel converter. The third and, if applicable, the further partial converters can, but need not necessarily, be designed in the same way as the second partial converter.
  • the invention also relates to an arrangement for converting electrical energy into chemical energy with hydrogen / gas generation.
  • Such a process can occur, for example, in electrolysis, in which electrical energy is converted into a gas as an energy carrier for chemical energy.
  • the gas can be hydrogen, for example.
  • the generated gas is transported to a place of consumption using appropriate lines (e.g. a pipeline).
  • Such an arrangement can be used in the context of connecting a wind park to an electrolysis plant, which has already been described above.
  • the object of the invention is to provide such an arrangement that is as inexpensive as possible to manufacture and operate and as reliable as possible.
  • the object is achieved according to the invention by an arrangement for converting electrical energy into chemical energy with gas generation, comprising an energy generation system, by means of which electrical energy can be provided and transmitted by means of a direct current transmission path, and a supply device according to the invention, the supply device being connected on the primary side to the direct current transmission path is.
  • the energy generation system suitably comprises a rectifier, by means of which the energy generation system is connected to the direct current transmission path.
  • the electrical energy is therefore first fed into an AC voltage network and converted into DC voltage by means of the rectifier. This enables a connection to wind farms, for example, which usually generate an alternating voltage.
  • the rectifier can also be a unidirectional rectifier, for example a diode rectifier.
  • the coupling device of the DC voltage converter has a coupling connection which is connected to a supply network.
  • the supply device can be connected on the primary side to the rectifier and on the secondary side to the electrolysis system.
  • the supply device can be connected to the supply network.
  • the energy transmitted via the DC voltage network or the DC voltage line can be used to supply the electrolysis system with energy on the one hand and, on the other hand, for example, to feed excess energy into the supply network or to withdraw it as required .
  • it can be made possible to feed chemically bound energy back into the supply network as electricity and to convert hydrogen back into electricity (reversible electrolysis / fuel cell operation) without additional reconversion systems.
  • FIG. 4 shows a first exemplary embodiment of a supply device according to the invention in a schematic representation
  • FIG. 5 shows a second exemplary embodiment of a supply device according to the invention in a schematic representation
  • FIG. 6 shows a third exemplary embodiment of a supply device according to the invention in a schematic representation
  • FIG. 7 shows a fourth exemplary embodiment of a supply device according to the invention in a schematic representation
  • FIG. 8 shows a fifth exemplary embodiment of a supply device according to the invention in a schematic representation
  • FIG. 9 shows an example of a switching module for a supply device according to the invention in a schematic representation
  • FIG. 10 shows a further example of a switching module for a supply device according to the invention in a schematic representation
  • FIG. 11 shows an example of a partial converter for a supply device according to the invention in a schematic representation
  • FIG. 12 shows a sixth exemplary embodiment of a supply device according to the invention in a schematic representation
  • FIG. 13 shows a seventh exemplary embodiment of a supply device according to the invention in a schematic representation
  • FIG. 14 shows an eighth exemplary embodiment of a supply device according to the invention in a schematic representation
  • FIG. 15 shows a ninth exemplary embodiment of a supply device according to the invention in a schematic representation
  • FIG. 16 shows a first exemplary embodiment of an arrangement according to the invention for converting electrical energy into chemical energy with gas generation in a schematic representation
  • FIG. 17 shows a second exemplary embodiment of an arrangement according to the invention for converting electrical energy into chemical energy with gas generation in a schematic representation
  • FIG. 18 shows a third exemplary embodiment of an arrangement according to the invention for converting electrical energy into chemical energy with gas generation in a schematic representation
  • FIG. 19 shows a fourth exemplary embodiment of an arrangement according to the invention for converting electrical energy into chemical energy with gas generation in a schematic representation.
  • a supply device 30 is shown for a high current load.
  • the high-current load is an electrolysis system 31.
  • the supply device 30 comprises a DC voltage converter 32.
  • the DC voltage converter 32 comprises a first partial converter 33 and a second partial converter 34, which are connected to one another in a converter series circuit, which is located between a first primary-side rectifier. voltage pole 35 and a second primary-side DC voltage pole 36 extends.
  • the first partial converter 33 has a three-phase design. It comprises a first phase branch 37, a third phase branch 38 and a fifth phase branch 39.
  • the three phase branches 37-39 each connect the first primary-side DC voltage pole 35 with a first secondary-side DC voltage pole 41.
  • the first phase branch 37 has a first AC voltage connection 40a
  • the third phase branch 38 has a third AC voltage connection 40b
  • the fifth phase branch 39 has a fifth AC voltage connection 40c.
  • the first converter element 33 is a modular multi-stage converter (MMC).
  • MMC modular multi-stage converter
  • a series circuit of switching modules SM is arranged in a first converter arm of the first converter element 33, which extends between the first primary-side DC voltage pole 35 and the first AC voltage connection 40a.
  • Each of the switching modules SM generally comprises a plurality of power semiconductors that can be switched off (such as, for example, transistors that can be switched off) and a module-specific energy store, usually in the form of a switching module capacitor.
  • a second converter arm of the first partial converter 33 between the first AC voltage connection 40a and the first secondary-side DC voltage pole 41 comprises a further series connection of the switching modules SM. Both converter arms also have an arm inductance noise.
  • the remaining two phase branches of the first partial converter 33 are essentially constructed in the same way as the first phase branch 37.
  • the second partial converter 34 is a diode-based, passive, three-phase converter. It comprises a second phase branch 43, a fourth phase branch 44 and a sixth phase branch 45, which connect the first secondary-side DC voltage pole 41 to a second secondary-side DC voltage pole 42.
  • Each of the three phase branches 43-45 each has an associated AC voltage connection 46a, 46b or 46c.
  • Each of the three phase branches 43-45 also has two converter arms: a first or upper converter arm between the first secondary DC voltage pole 41 and the respectively assigned AC voltage connection 46a-c and a second or lower converter arm between the assigned AC voltage connection 46a-c and the second DC voltage pole 42 on the secondary side.
  • Each of the converter arms of the second partial converter 34 comprises a series connection of high-power diodes 47, 48, 49, 50, 51 and 52, respectively.
  • a second primary-side DC voltage pole 53 is connected directly to the second secondary-side DC voltage pole 42.
  • a pending primary-side voltage at the primary-side DC voltage poles 35, 53 is referred to as V D ci.
  • a secondary-side voltage present at the secondary-side DC voltage poles 41, 42 is referred to as V D c2.
  • a primary-side current I DCi flows on the primary side, and a secondary-side current I D c2- flows on the secondary side.
  • the supply device 30 also includes a coupling device 54 for exchanging energy between the partial converters 33, 34.
  • the coupling device 54 connects the AC voltage connections 40a-c of the first partial converter 33 with the AC voltage connections 46a-c of the second partial converter 34 Coupling transformer 55 with a primary side or primary winding 56, which is connected to the first partial converter 33, and with a secondary side or secondary winding 57, which is connected to the second partial converter 34.
  • the supply device 30 further comprises a control device for carrying out a voltage, current and / or power control (which, however, is not shown in the figures).
  • the control device can have a control unit that is set up to control all controllable power semiconductors of the supply device 30.
  • FIG. 5 a further supply device 60 is Darge provides. Identical and similar components and elements are provided with the same reference symbols in FIGS. 4 and 5. Incidentally, this also applies to the following FIGS. 6 to 8. For the sake of clarity, only the differences between the supply device 30 of FIG. 4 and the supply device 60 are discussed below.
  • the supply device 60 comprises a DC voltage converter 32, the second partial converter 34 of which is thyristor-based. This means that a series connection of thyristors 61-66 is arranged in each of the three phase branches 43-45 or in each of the six corresponding converter arms.
  • a supply device 70 is shown in FIG. In contrast to the supply device 60 of FIG. 5 (series connections of) switching units 71-76 in each converter arm of the phase branches 43-45, which each comprise thyristors connected in anti-parallel.
  • the use of the double thyristor circuits (anti-parallel thyristors) allows energy to be fed back into a connected AC voltage network 77 without reversing the DC voltage.
  • a tertiary winding 78 is provided on the coupling transformer 55, by means of which the supply device 70 can be connected to the AC voltage network 77.
  • a supply device 80 is shown in FIG.
  • the switching modules SM of the first converter element 33 are specifically designed as half-bridge switching modules HB.
  • the structure of the half-bridge switching modules HB is discussed in detail below in connection with FIG.
  • the supply device 80 comprises a DC power switch 81 (DC breaker), which is arranged on the first primary-side DC voltage pole 35, so that the DC voltage converter 32 is connected via the DC power switch 81 to the primary-side DC voltage network or the DC voltage line.
  • the DC voltage converter can be protected by means of the DC voltage circuit breaker 81.
  • both partial converters 33 and 34 are designed as modular multi-stage converters.
  • the phase branches 37-39 and 43-45 each comprise series connections of switching modules, each with power semiconductor switches and storing energy within the switching module.
  • Both half-bridge switching modules HB and full-bridge switching modules FB are provided in each of the twelve inverters, which each extend between one of the DC voltage points 35, 41, 42, 53 and one of the AC voltage connections 40a-c, 46a-c.
  • the construction of the half-bridge and full-bridge switching modules is discussed in more detail below in connection with FIGS. 9 and 10.
  • the DC voltage converter 32 can be protected in the event of a fault by means of the full bridge switching modules, since these are suitable for building up a counter voltage that can reduce or prevent a short-circuit current through the DC voltage converter 32.
  • FIG. 9 shows a half-bridge switching module 101.
  • the half-bridge switching module 101 has two connections XI and X2.
  • the connection XI can, for example, connect the half-bridge switching module 101 to the connection X2 of a further half-bridge switching module, so that a series connection of the half-bridge switching modules is formed.
  • the half-bridge switch module 101 comprises a first semiconductor switch 102 in the form of a bipolar transistor with an insulated gate electrode (IGBT), to which a freewheeling diode 103 is connected in parallel.
  • the half-bridge switching module 101 comprises a second semiconductor switch 104 in the form of an IGBT, to which a freewheeling diode 105 is connected anti-parallel.
  • IGBT insulated gate electrode
  • the forward direction of the two semiconductor switches 102 and 104 is rectified.
  • the first connection XI is arranged at a potential point 113 between the two semiconductor switches 102 and 104.
  • the second connection X2 is connected to the emitter of the second semiconductor switch 104.
  • An energy store in the form of a high-performance capacitor 106 is arranged parallel to the two semiconductor switches 102, 104. With a suitable control of the semiconductor switches 102, 104, the capacitor 106 can be switched on or bypassed in the case of an operating current direction indicated by an arrow, so that a switching module voltage V m is present at the connections XI, X2, which is either that of the capacitor 106 corresponds to a falling voltage V c or a voltage of zero.
  • the full-bridge switch module 108 has a first semiconductor switch 109 in the form of an IGBT, to which a freewheeling diode 110 is connected in antiparallel, and a second semiconductor switch 111 in the form of an IGBT, to which a freewheeling diode 112 is connected in antiparallel.
  • the forward direction of the two semiconductor switches 109 and 111 is rectified.
  • the full bridge switch module 108 comprises a third semiconductor switch 113 in the form of an IGBT, to which a freewheeling diode 114 is connected in antiparallel, and a fourth semiconductor switch 115 in the form of an IGBT, to which a freewheeling diode 116 is connected in antiparallel.
  • the forward direction of the two semiconductor switches 113 and 115 is rectified.
  • the semiconductor switches 109 and 111 with their associated freewheeling diodes 110, 112 thus form a series circuit which is connected in parallel to a series circuit formed by the semiconductor switches 113, 115 and the associated freewheeling diodes 114 and 116.
  • An energy storage device in the form of a high-performance capacitor 117 is arranged in parallel with the two series connections.
  • the first connection XI is arranged at a potential point 118 between the semiconductor switches 109, 111
  • the second connection X2 is arranged at a potential point 119 between the semiconductor switches 113, 115.
  • a switching module voltage V m which drops across the terminals XI, X2 can be generated for a given current in the switching module, which corresponds to an energy storage voltage V c dropping across the capacitor 117, that of the capacitor 117 falling energy storage voltage, however, corresponds with opposite polarity or a voltage zero.
  • FIG. 11 shows a partial converter 120 which can be used as the first and / or the second partial converter 33 or 34 of the DC voltage converter 32 of the preceding figures.
  • the converter element 120 has a three-phase design and comprises six converter arms 121-126, each of which extends between one of the DC voltage poles 127, 128 and one of the AC voltage connections 129-131.
  • a series circuit of Druckele elements is arranged (figuratively represented by a single Wegele element 132), each switching element 132 has a turn-off semiconductor switch 133 (IGBT as shown in the figure, IGCT, GTO or the like) and a includes diode 134 connected in antiparal lel for this purpose.
  • the partial converter 120 is often referred to as a 2-level converter.
  • FIG. 12 shows a supply device 130 which is designed for a bipole configuration.
  • the supply device is suitable for supplying a first and a second high-current load 131 and 132, respectively.
  • the supply device 130 comprises a first DC voltage converter 133 and a second DC voltage converter 134.
  • the first voltage converter 133 has a first converter series circuit with a first partial converter 135 and a second partial converter 136, which are located between a first DC voltage pole 137 and a second, through Erd Weglei device or dedicated metallic return conductor (DMR) formed th DC voltage pole 138 extends.
  • the first DC-DC converter 133 is adapted to receive a primärseiti ge voltage V D c, i convert to change in a secondary-side voltage V DC n.
  • the currents flowing through the first DC voltage converter 133 are identified by I D c, i and I DC , II, respectively.
  • the second DC voltage converter 134 has a first converter series circuit with a third converter converter 139 and a second converter converter 140, which extends between the second DC voltage pole 138 and a third DC voltage pole 141.
  • the second DC voltage converter 134 is set up to convert a voltage on the primary side, which corresponds to the voltage V D c, i in the example shown, into a voltage on the secondary side, which corresponds to the voltage V DC, ii in the example shown.
  • the currents flowing through the first DC voltage converter 133 are denoted by I D c, i and
  • Both DC voltage converters 133 and 134 each have an AC voltage connection 142, 143 to external AC voltage networks.
  • FIG. 150 Another configuration of a supply device 150 is shown in FIG.
  • the supply device 150 comprises a DC voltage converter 151 with three partial converters 152-154.
  • the supply device 150 is set up to convert a primary-side DC terminal voltage 2 * V DC , I into a secondary-side DC terminal voltage 2 * V DC, n in order to supply a high-current load 155.
  • the execution of the supply device 150 is particularly advantageous from the perspective of the transformer design. It can be seen that only one high-current transformer (instead of two) is required on the second or middle converter element 153.
  • a supply device 160 is shown in FIG.
  • the supply means converts voltage a primary-side clamping V DC, i in a secondary-side voltage V DC, n for the care supply a high current load 161.
  • the direction through theéessein 160 flowing currents on the primary side with ID C, i and corresponding to the secondary side in the figure 14 I DC , II denotes.
  • the supply device 160 comprises, for example, similar to the supply device 80 of FIG. 7, a DC voltage converter 162 with two partial converters 163 and 164. In addition, however, the DC voltage converter 162, in contrast to the aforementioned supply device 80, further partial converters 165 and 166 The other partial converters 165,
  • FIG. 15 shows a further supply device 170. Similar and similar elements or components are provided with the same reference numerals in FIGS. 14 and 15. For reasons of clarity, only the differences between the supply device 170 and the supply device 160 of FIG. 14 will be discussed in more detail below.
  • the supply device 170 shown as an example comprises three secondary connections 173-175 connected in parallel for connecting to three high-current loads 161, 171 and 172 set up.
  • the number of systems / high-current loads connected in parallel on the DC low-voltage side is not limited to three, but can be scaled variably to the requirements of the system. This is being done with a view to the standardization of the Electrolysis systems, as also considered advantageous with regard to the management and maintenance of such systems.
  • FIG. 16 shows an exemplary arrangement 200 for converting electrical energy into chemical energy while generating gas.
  • the arrangement 200 includes an energy generation and energy supply system 201.
  • the energy supply system 201 includes wind turbines 202, 203, 204 with associated generators 205-207, wind turbine converters 208-210 and with medium-voltage transformers 211-213, by means of which the wind energy is converted into electrical energy and is fed into a first AC voltage network 214.
  • a rectifier 215 is provided and directed to convert the AC voltage of the first AC voltage network 214 into a DC voltage and feed it into a DC voltage network or DC voltage line / DC voltage connection 216.
  • the energy feed system 201 can be arranged in the offshore area.
  • the power from wind energy provided as direct voltage and direct current is transmitted to shore via direct voltage connection 216 (which is indicated by a line 222), where the direct voltage is converted into alternating voltage by means of an inverter 217 and into a second alternating voltage network or a supply network 218 is fed in.
  • the arrangement also includes a so-called DC chopper 219, which is set up to convert excess energy into loss heat.
  • the arrangement also includes a supply device 220 for supplying a high-current load 221 in the form of an electrolysis system, by means of which electrical energy is converted into chemical energy with gas generation, the chemical energy being stored in the generated gas (e.g. H2) and for further transport is processed.
  • a supply device 220 for example, one of the in the Figures 4 to 15 illustrated embodiments of Ver supply devices can be used.
  • FIG. 17 shows an arrangement 230 for converting electrical energy into chemical energy while generating gas. Identical and similar elements or components are provided with the same reference symbols in FIGS. 16 and 17. For the sake of clarity, only the differences between the arrangement 230 and the arrangement 200 of FIG. 16 will be discussed in greater detail below. This also applies to the following Figures 18 and 19.
  • the arrangement 230 comprises a rectifier 231 which is designed as a diode rectifier. This allows advantages in particular with regard to manufacturing, installation and operating costs of the rectifier.
  • FIG. 18 an arrangement 240 similar to the arrangement 230 of FIG. 17 is shown.
  • the DC chopper was dispensed with in the arrangement 240.
  • a supply device 241 which is set up on the secondary side with both a high current load 242 and a device 243 for storing electrical energy (super caps or powerful battery systems) or a system for heat storage or heat extraction to be connected. It is particularly advantageous here if the above-mentioned devices 243 have highly dynamic properties for buffering a power imbalance.
  • FIG. 19 a particularly advantageous arrangement 250 similar to the arrangement 240 of FIG. 18 is shown.
  • a fully integrated system concept with the device 251 for integrating a high-current application 252 also takes on the role of an inverter for converting the direct voltage into the AC voltage for feeding into the supply network 218 (by means of a high-voltage transformer 253).
  • the device 251 - in addition to the high current application 252 - is connected to a device 254 for converting a DC power into energy that can still be used.
  • the devices 252 and 254 have highly dynamic properties for buffering a power imbalance. Bi-directional load flow properties of devices 252 and 254 are also particularly advantageous.
  • the device 252 is set up for both electrolysis and fuel cell operation.
  • the highly dynamic properties of the "Proton Exchange Membrane” (PEM) electrolysis or the so-called high-temperature electrolysis are particularly advantageous here.
  • circuit topologies according to the invention of the device 251 with the establishment of a bidirectional load flow are particularly advantageous.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Versorgungseinrichtung (30) für eine Hochstromlast (31). Die Versorgungseinrichtung umfasst dabei einen DC-Spannungswandler (32), der zwischen einer Oberspannungs- und einer Unterspannungsseite (Sekundärseite) angeordnet ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der DC-Spannungswandler einem ersten Teilumrichter (33) und einen zweiten Teilumrichter (34) umfasst, wobei die Teilumrichter miteinander in einer Umrichterreihenschaltung zwischen einem ersten und einem zweiten primärseitigen Gleichspannungspol geschaltet sind, wobei der zweite Teilumrichter zwischen einem ersten und einem zweiten sekundärseitigen Gleichspannungspol geschaltet ist, wobei die Teilumrichter jeweils wenigstens einen Wechselspannungsanschluss aufweisen, die mittels einer Kopplungseinrichtung (54) miteinander verbunden sind, so dass ein Austausch elektrischer Leistung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilumrichter ermöglicht ist, wobei die sekundärseitigen Gleichspannungspole zum Verbinden mit der Hochstromlast eingerichtet sind. Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung (200) zum Umwandeln elektrischen Energie in chemische Energie unter Gaserzeugung umfassend die Versorgungseinrichtung.

Description

Versorgungseinrichtung für eine Hochstromlast und Anordnung mit der Versorgungseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Versorgungseinrichtung für eine Hochstromlast .
Hochstromlasten sind Energieverbraucher, die einen hohen Strom von mehr als 1 kA, insbesondere von mehr als 5 kA er fordern. Beispiele für Hochstromlasten sind Lichtbogenöfen und Elektrolyseanlagen. Die elektrische Energieversorgung bzw. Anbindung von Hochstromlasten im großtechnischen Maßstab (insbesondere im Leistungsbereich oberhalb von 100 MW) wird derzeit meist unter Verwendung von Hochspannungs- bzw. Mit telspannungskomponenten und entsprechender Leistungselektro nik ausgeführt. Dazu gehören vor allem Hochspannungs- und Mittelspannungstransformatoren, Hochstrom-Gleichrichter- Schaltungen und dergleichen. Die sich derzeit in Verwendung befindenden Lösungen sind allerdings nicht oder nur bedingt mit der Leistung skalierbar: Der Anteil der Kosten für Trans formatoren und Gleichrichter-Schaltungen bzw. Leistungselekt ronik steigt bei Erhöhung der Leistung überproportional.
Mögliche Beispiele einer Anbindung eines Offshore-Windparks zur Energieversorgung einer Elektrolyse-Anlage ist in Figuren 1 und 2 dargestellt. In Figur 1 ist ein Windpark 1, der aus mehreren Windturbinen 2a-2c besteht, dezentral angebunden. Dazu ist jede Windturbine 2a-2c über einen eigenen turbinen eigenen Generator 3a-3c und turbineneigenen Umrichter 4a-4c sowie über einen der jeweiligen Windturbine zugeordneten Transformator 5a-5c mit einem ebenfalls zugeordneten Gleich richter 6a-6c mit einer jeweiligen Elektrolyseanlage 7a-7c verbunden. Das mittels der Elektrolyseanlagen 7a-7c erzeugte Gas wird einem zentralen Offshore-Gas-Terminal 8 zugeführt und anschließend mittels einer geeigneten Gas-Transport- Infrastruktur (z.B. Gas-Pipeline, LNG-Tankschiffe oder refor miertem Methanol) 9 an Land transportiert. Eine zentrale Integration eines Windparks ist in Figur 2 ge zeigt. Gemäß dem Beispiel der Figur 2 sind die Windturbinen la-lc über einen zentralen Offshore-Transformator 10 mit ei nem zentralen Gleichrichter 11 verbunden. Der zentrale Gleichrichter 11 liefert die elektrische Energie zum Betrei ben einer Elektrolyseanlage 12. Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Realisierungsbeispiele sind im Offshore-Bereich nur mit sehr großem Aufwand durchführbar. Insbesondere sind bei diesen Lösungen sowohl eine Gas-spezifische Offshore infrastruktur als auch nachgelagerte Aufbereitungs- und Transportsysteme notwendig, um die chemisch gebundene Energie aus dem Offshore-Bereich in den On-shore-Bereich zu transpor tieren.
Ein Beispiel einer Versorgungseinrichtung 20 für eine Elekt rolyseanlage 21 gemäß dem Stand der Technik ist in Figur 3 dargestellt. Die Versorgungseinrichtung 20 umfasst einen thy ristorbasierten Umrichter 22, der wechselspannungsseitig mit tels eines Netztransformators 24 mit einem Wechselspannungs netz verbindbar ist. Gleichspannungsseitig des Umrichters 22 ist ein Umrichterstrom IDC und eine Umrichterspannung VDC er zeugbar, die zur Versorgung der Elektrolyseanlage 21 einge setzt werden kann. Es ist erkennbar, dass die Skalierbarkeit der Versorgungseinrichtung 20 relativ begrenzt ist. Mit stei gender elektrischer Anschlussleistung der Elektrolyseanlage 21 sind überproportional steigende Kosten in Bezug auf die Leistungselektronik, insbesondere des Netztransformators 24 und der Gleichrichter-Schaltung des Umrichters 22 zu erwar ten.
Aus den genannten Gründen besteht hoher Bedarf nach innovati ven Lösungen in Bezug auf die Energieversorgung von großtech nischen Hochstromlasten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Versorgungsein richtung für eine Hochstromlast vorzuschlagen, die möglichst effizient und kostengünstig, insbesondere bei hohen Leistun gen, und möglichst zuverlässig ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Versorgungsein richtung für eine Hochstromlast mit einem Spannungswandler gelöst, wobei der Spannungswandler einem ersten Teilumrichter und einen zweiten Teilumrichter umfasst, wobei die Teilum richter miteinander in einer Umrichter-Reihenschaltung zwi schen einem ersten und einem zweiten primärseitigen Gleich spannungspol geschaltet sind, wobei der zweite Teilumrichter zwischen einem ersten und einem zweiten sekundärseitigen Gleichspannungspol geschaltet ist, wobei die Teilumrichter jeweils wenigstens einen Wechselspannungsanschluss aufweisen, die mittels einer Kopplungseinrichtung miteinander verbunden sind, so dass ein Austausch elektrischer Leistung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilumrichter ermöglicht ist, wo bei die sekundärseitigen Gleichspannungspole zum Verbinden mit der Hochstromlast eingerichtet sind. Die primärseitigen Gleichspannungspole des Spannungswandlers umfassen einen pri märseitigen Gleichspannungsanschluss zum Verbinden mit einem primärseitigen Gleichspanungsnetz. Zugleich umfassen die se kundärseitigen Gleichspannungspole des Spannungswandlers ei nen sekundärseitigen Gleichspannungsanschluss zum Verbinden mit einem sekundärseitigen Gleichspannungsnetz. Da die Span nungsfestigkeit der Umrichterreihenschaltung größer als die Spannungsfestigkeit eines der beiden Teilumrichter ist, kann das primärseitiges Gleichspannungsnetz eine Betriebsspannung aufweisen, die größer als die Betriebsspannung des sekundär seitigen Gleichspannungsnetzes ist. Der primärseitige Gleich spannungsanschluss kann daher als Oberspannungsseite und der sekundärseitige Gleichspannungsanschluss als Unterspannungs seite bezeichnet werden. Die Kopplungseinrichtung ist dazu eingerichtet, eine am ersten Teilumrichter anfallende über schüssige Leistung an den zweiten Teilumrichter zu übertra gen. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Versorgungseinrichtung ist deren Skalierbarkeit, sowohl in Bezug auf die zu erzeu gende Spannung als auch in Bezug auf den zu liefernden Aus gangsstrom. Des Weiteren zeigt die erfindungsgemäße Versor gungseinrichtung im Vergleich zum Stand der Technik einen hö heren leistungselektronischen Wirkungsgrad und eine geringere Strombelastung eines ggf. in der Kupplungseinrichtung einge setzten Transformators.
Geeigneterweise umfasst der erste Teilumrichter wenigstens einen ersten Phasenzweig, der sich zwischen dem ersten pri märseitigen Gleichspannungspol und dem ersten sekundärseiti gen Gleichspannungspol erstreckt, und in dem Leistungshalb leiter sowie ein erster Wechselspannungsanschluss angeordnet sind. Ferner umfasst der zweite Teilumrichter wenigstens ei nen zweiten Phasenzweig, der sich zwischen dem ersten sekun därseitigen Gleichspannungspol und dem zweiten sekundärseiti gen Gleichspannungspol erstreckt, und in dem Leistungshalb leiter sowie ein zweiter Wechselspannungsanschluss angeordnet sind, wobei die Wechselspannungsanschlüsse mittels der Kopp lungseinrichtung miteinander verbunden sind. Die Leistungs halbleiter sind zweckmäßigerweise steuerbare, ein- und/oder abschaltbare Leistungshalbleiterschalter, die mittels einer geeigneten Regelungs- bzw. Steuerungseinrichtung steuerbar sind. Die jeweilige Anzahl der Leistungshalbleiter in jedem Phasenzweig ist grundsätzlich beliebig und kann an die jewei lige Anwendung angepasst sein. Die Skalierbarkeit der Versor gungseinrichtung in Bezug auf die Spannung ergibt sich insbe sondere aus der entsprechend bestimmbaren Anzahl der verwen deten Leistungshalbleiter. Die Skalierbarkeit der Versor gungseinrichtung in Bezug auf den Strom ergibt sich aus der Tatsache, dass die Anzahl der Phasenzweige in jedem Teilum richter ebenfalls grundsätzlich beliebig und an die jeweilige Anwendung anpassbar ist. Jeder der Teilumrichter kann zu die sem Zweck mehrere parallel geschaltete, zum Beispiel gleich artig aufgebaute, Phasenzweige umfassen.
Zweckmäßigerweise umfasst die Kopplungseinrichtung einen Kopplungstransformator, dessen Primärseite bzw. Primärwick lung mit dem ersten Wechselspannungsanschluss des ersten Tei lumrichters und die Sekundärseite bzw. Sekundärwicklung mit dem ersten Wechselspannungsanschluss des zweiten Teilumrich ters verbunden ist. Auf diese Weise ist eine induktive Kopp lung der beiden Teilumrichter mit einer galvanischen Trennung zwischen den Wechselspannungsanschlüssen realisiert. Um einen zusätzlichen Abgang in ein angeschlossenes Wechselspannungs system realisieren zu können, kann geeigneterweise auch ein Dreiwicklungstransformator oder eine Kopplungseinrichtung mit vergleichbarer Funktionalität eingesetzt werden, wie nachfol gend noch weiter ausgeführt wird.
Die Versorgungseinrichtung ist, wie bereits zuvor erörtert, besonders vorteilhaft bei einer Hochstromlast anwendbar, die eine Elektrolyseanlage (bzw. Brennstoffzelle) oder eine Lichtbogenofenanlage ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Tei lumrichter ein netzgeführter Teilumrichter, insbesondere ein thyristorbasierter Teilumrichter. Ein netzgeführter Umrichter zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Kommutie rungsvorgänge in dessen Betrieb üblicherweise durch das ange schlossene Netz bestimmt werden. Ein netzgeführter (netzkom- mutierter) Umrichter kann Leistungshalbleiter umfassen, die ein- aber nicht abschaltbar sind. Ein thyristorbasierter Tei lumrichter umfasst dementsprechend in seinem Phasenzweig, vorzugsweise in jedem Phasenzweig, eine Reihenschaltung von Thyristoren. Die Verwendung eines netzgeführten Teilumrich ters erlaubt vorteilhaft eine robuste Systemauslegung und kann über einen besonders großen Leistungsbereich skaliert werden.
Der zweite Teilumrichter kann ein passiver Teilumrichter sein, insbesondere ein diodenbasierter Teilumrichter. Der di odenbasierte Teilumrichter umfasst in jedem seiner Phasen zweige eine Reihenschaltung von Leistungsdioden. Durch die Verwendung passiver Leistungshalbleiter wie Dioden kann eine besonders robuste Systemauslegung erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Teilumrichter ein doppeltyhristorbasierter Teilumrich ter (antiparallele Thyristoren). Dazu umfasst der Teilumrich ter in jedem seiner Phasenzweige eine Reihenschaltung von Thyristorschalteinheiten, wobei jede Thyristorschalteinheit antiparallel geschaltete Thyristoren aufweist. Mittels einer solchen bidirektionalen Thyristorbrücke kann eine Energie- Rückspeisung ermöglicht werden. Im Fall einer Anbindung einer reversiblen Elektrolyse-/Brennstoffzellenanlage führt verfah renstechnisch die Rückverstromung von H2 auf eine kleinere DC-Spannung, so dass ein besonderer Vorteil hierbei darin be steht, dass die unterspannungsseitige Gleichspannung variabel bis 0 kV abgesenkt werden kann.
Es ist hierbei anzumerken, dass alle zuvor erörterten netzge führten (netzkommutierten) Topologien sechs-pulsig aber auch höherpulsig (12, 18, ...) ausgeführt sein können. Zudem können die entsprechenden Teilumrichter mit einer beliebigen Phasen anzahl ausgebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erste Teilumrichter ein sogenannter modularer Mehrstufenum richter (MMC). Ein MMC umfasst in dem (jedem) Phasenzweig ei ne Reihenschaltung von Schaltmodulen. Jedes der Schaltmodule weist abschaltbare Leistungshalbleiter sowie einen Energie speicher in Form eines Schaltmodulkondensators auf. Die Schaltmodule können in dem Phasenzweig geeigneterweise grup piert sein, so dass zwei Stromrichterarme ausgebildet sind, zwischen denen der Wechselspannungsanschluss angeordnet ist. Werden der erste Teilumrichter als ein MMC und der zweite Teilumrichter als ein netzgeführter bzw. passiver Umrichter ausgeführt, so kann die exzellente Spannungsskalierbarkeit des MMC mit der hohen Stromtragfähigkeit des zweiten Teilum richters in besonders vorteilhafter Weise kombiniert werden.
Der erste Teilumrichter kann Schaltmodule umfassen, mittels deren unipolare Schaltmodulspannungen erzeugbar sind, insbe sondere Halbbrückenschaltmodule. Diese Art von Schaltmodulen zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass an deren An schlüssen eine positive Schaltmodulspannung (der einer am Energiespeicher des betreffenden Schaltmoduls anstehenden Energiespeicherspannung entspricht) oder eine Nullspannung erzeugbar sind. Der Vorteil solcher Schaltmodule ist deren relativ einfacher Aufbau und relativ niedrige Verluste im Be trieb. In dieser Konfiguration kann ein besonders hoher Wir kungsgrad der Versorgungseinrichtung erreicht werden.
Alternativ dazu kann erste Teilumrichter Schaltmodule umfas sen, mittels deren bipolare Schaltmodulspannungen erzeugbar sind, insbesondere Vollbrückenschaltmodule. Vollbrücken- Schaltmodule zeichnen sich dadurch aus, dass an deren An schlüssen eine bipolare Spannung erzeugbar ist, d.h. sowohl eine positive als auch eine negative Schaltmodulspannung. Der Betrag der Schaltmodulspannung entspricht im Wesentlichen ei ner an einem Energiespeicher des Vollbrücken-Schaltmoduls an stehenden Energiespeicherspannung. Die Schaltmodule dieser Art haben den Vorteil, ggf. eine Gegenspannung aufbauen zu können. Ein Rückspeisen der Unterspannungsseite (Hochstrom seite) auf den DC-Fehler kann so unterbunden bzw. vermieden werden. Auf diese Weise kann also vorteilhaft ein Schutz des Teilumrichters im Fall von Kurzschlüssen auf der Oberspan nungsseite realisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen sowohl der erste als auch der zweite Teilumrichter Halbbrückenschaltmo- dule und/oder Vollbrückenschaltmodule. Sind sowohl der erste als auch der zweite Teilumrichter transistorbasiert oder als MMC ausgebildet, dann können sowohl der Gleichspannungsstrom auf der Sekundärseite bzw. DC-Unterspannungsseite als auch die sekundärseitige Ausgangsspannung am DC-Spannungswandler nahezu optimal eingestellt werden. Zudem kann vorteilhaft der Anteil an Strom- als auch Spannungsoberschwingungen minimiert werden. Alternativ hierzu kann insbesondere der zweite Tei lumrichter aufgrund der vergleichsweise geringen DC- Ausgangsspannung als ein aus dem Stand der Technik bekannte 2- bzw. 3-Level-Umrichter ausgeführt sein.
Es kann von Vorteil sein, wenn ein Gleichspannungsleistungs schalter vorgesehen ist, der mit einem der primär- bzw. ober spannungsseitigen Gleichspannungspole verbunden ist. Ein sol- eher Gleichspannungsleistungsschalter (DC Breaker) kann zu einem Schutz vor Kurzschlüssen auf der Oberspannungsseite des DC-Spannungswandlers dienen.
Vorzugsweise ist der Spannungswandler für eine Spannungswand lung mit einem Spannungsübersetzungsverhältnis primärseitiger zu sekundärseitiger Spannung von 2 bis 20 ausgelegt. Der Leistungsbereich des DC-Spannungswandlers liegt vorzugsweise zwischen 1 MW und 1000 MW. Die Gleichspannung auf der Ober spannungsseite skaliert passend zum Leistungsbereich etwa von 1 kV bis zu oberhalb der 1 MV-Grenze.
Zweckmäßigerweise sind die beiden Teilumrichter jeweils min destens zweiphasig ausgebildet. Demgemäß umfasst der erste Teilumrichter zumindest einen dritten Phasenzweig, der sich zwischen dem ersten primärseitigen Gleichspannungspol und dem ersten sekundärseitigen Gleichspannungspol erstreckt, und in dem Leistungshalbleiter sowie ein dritter Wechselspannungsan schluss angeordnet sind. Entsprechend umfasst der zweite Tei lumrichter zumindest einen vierten Phasenzweig, der sich zwi schen dem ersten sekundärseitigen Gleichspannungspol und dem zweiten sekundärseitigen Gleichspannungspol erstreckt, und in dem Leistungshalbleiter sowie ein zweiter Wechselspannungsan schluss angeordnet sind. Die Anordnung ist in der aufgezeig ten Weise auf drei und mehr Phasen entsprechend erweiterbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Kopplungseinrichtung einen Kopplungsanschluss auf, der zum Verbinden der Anordnung mit einem Wechselspannungsnetz eingerichtet ist. Dadurch kann Leistung mit dem Wechselspan nungsnetz ausgetauscht werden. Auf diese Weise ist eine An bindung der Versorgungseinrichtung sowohl mit einem Gleich spannungsnetz als auch mit einem Wechselspannungsnetz mög lich. Vorzugsweise ist der Kopplungsanschluss eine Terti ärwicklung eines Kopplungstransformators. Statt 3- Wicklertransformatoren sind in diesem Zusammenhang auch je Teilumrichter ein 2-Wicklertransformator möglich. Im Hinblick auf eine weitere Erhöhung der unterspannungssei tigen Anchlussleistung bzw. des Gleichstromes auf der Unter spannungsseite des Spannungswandlers kann die Versorgungsein richtung bzw. der Spannungswandler einen dritten Teilumrich ter umfassen, der in einer Umrichterparallelschaltung mit dem zweiten Teilumrichter verbunden ist. Der dritte und ggf. die weiteren Teilumrichter können, müssen aber nicht notwendiger weise gleichartig zum zweiten Teilumrichter ausgebildet sein.
Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zum Umwandeln elektrischen Energie in chemische Energie unter Wasserstoff-/ Gaserzeugung. Ein solcher Vorgang kann beispielsweise bei der Elektrolyse vorliegen, bei der elektrische Energie in ein Gas als Energieträger der chemischen Energie umgewandelt wird.
Das Gas kann beispielsweise Wasserstoff sein. Das erzeugte Gas wird nach der Elektrolyse mittels entsprechender Leitun gen (z.B. einer Pipeline) an einen Verbrauchsort transpor tiert.
Eine solche Anordnung kann in dem bereits zuvor beschriebenen Kontext einer Anbindung eines Windparks an eine Elektrolyse anlage eingesetzt werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Anordnung anzu geben, die möglichst kostengünstig in Herstellung und Betrieb und möglichst zuverlässig ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung zum Um wandeln elektrischen Energie in chemische Energie unter Gas erzeugung gelöst, umfassend eine Energieerzeugungsanlage, mittels der elektrische Energie bereitstellbar und mittels einer Gleichstromübertragungsstrecke übertragbar ist, sowie einer erfindungsgemäßen Versorgungseinrichtung, wobei die Versorgungseinrichtung primärseitig mit der Gleichstromüber tragungsstrecke verbunden ist. Die Vorteile der erfindungsge mäßen Anordnung ergeben sich insbesondere aus den bereits ge nannten Vorteilen der erfindungsgemäßen Versorgungseinrich tung. Geeigneterweise umfasst die Energieerzeugungsanlage einen Gleichrichter, mittels dessen die Energieerzeugungsanlage mit der Gleichstromübertragungsstrecke verbunden ist. Die elekt rische Energie wird demnach zunächst in ein Wechselspannungs netz eingespeist und mittels des Gleichrichters in Gleich spannung umgewandelt. Dies ermöglicht eine Anbindung bei spielsweise von Windparks, die üblicherweise eine Wechsel spannung erzeugen. Der Gleichrichter kann auch ein unidirek- tionaler Gleichrichter, zum Beispiel ein Diodengleichrichter sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Kopp lungseinrichtung des DC-Spannungswandlers einen Kopplungsan schluss auf, der mit einem Versorgungsnetz verbunden ist. Demnach kann die Versorgungseinrichtung primärseitig mit dem Gleichrichter und sekundärseitig mit der Elektrolyseanlage verbunden sein. Zusätzlich kann die Versorgungseinrichtung mit dem Versorgungsnetz verbunden sein. Auf diese Weise ist es ermöglicht, dass die über das Gleichspannungsnetz bzw. die Gleichspannungsleitung übertragene Energie dazu genutzt wer den kann, einerseits die Elektrolyseanlage mit Energie zu versorgen, und anderseits beispielsweise ggf. überschüssige Energie in das Versorgungsnetz einzuspeisen oder auch nach Bedarf diesem zu entnehmen. Zusätzlich kann es ermöglicht werden chemisch gebundene Energie als Strom wieder in das Versorgungsnetz zurückzuspeisen und Wasserstoff rückzuver- stromen (reversible Elektrolyse/Brennstoffzellen Betrieb) oh ne zusätzliche Rückverstromungs-Anlagen.
Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit den Figu ren 4 bis 19 näher erläutert.
Figur 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Versorgungseinrichtung in einer schematischen Darstellung; Figur 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemäßen Versorgungseinrichtung in einer schematischen Darstellung;
Figur 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Versorgungseinrichtung in einer schematischen Darstellung;
Figur 7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Versorgungseinrichtung in einer schematischen Darstellung;
Figur 8 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Versorgungseinrichtung in einer schematischen Darstellung;
Figur 9 zeigt ein Beispiel eines Schaltmoduls für eine erfin dungsgemäße Versorgungseinrichtung in einer schematischen Darstellung;
Figur 10 zeigt ein weiteres Beispiel eines Schaltmoduls für eine erfindungsgemäße Versorgungseinrichtung in einer schema tischen Darstellung;
Figur 11 zeigt ein Beispiel eines Teilumrichters für eine er findungsgemäße Versorgungseinrichtung in einer schematischen Darstellung;
Figur 12 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Versorgungseinrichtung in einer schematischen Darstellung;
Figur 13 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Versorgungseinrichtung in einer schematischen Darstellung; Figur 14 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemäßen Versorgungseinrichtung in einer schematischen Darstellung;
Figur 15 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Versorgungseinrichtung in einer schematischen Darstellung;
Figur 16 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Anordnung zum Umwandeln elektrischen Energie in chemische Energie unter Gaserzeugung in einer schematischen Darstellung;
Figur 17 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Anordnung zum Umwandeln elektrischen Energie in chemische Energie unter Gaserzeugung in einer schematischen Darstellung;
Figur 18 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Anordnung zum Umwandeln elektrischen Energie in chemische Energie unter Gaserzeugung in einer schematischen Darstellung;
Figur 19 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Anordnung zum Umwandeln elektrischen Energie in chemische Energie unter Gaserzeugung in einer schematischen Darstellung.
In Figur 4 ist eine Versorgungseinrichtung 30 für eine Hoch stromlast dargestellt. In dem in Figur 4 dargestellten Bei spiel ist die Hochstromlast eine Elektrolyseanlage 31.
Die Versorgungseinrichtung 30 umfasst einen DC- Spannungswandler 32. Der DC-Spannungswandler 32 umfasst einen ersten Teilumrichter 33 und einen zweiten Teilumrichter 34, die miteinander in einer Umrichterreihenschaltung verbunden sind, die sich zwischen einem ersten primärseitigen Gleich- spannungspol 35 und einem zweiten primärseitigen Gleichspan nungspol 36 erstreckt.
Der erste Teilumrichter 33 ist dreiphasig ausgebildet. Er um fasst einen ersten Phasenzweig 37, einen dritten Phasenzweig 38 und einen fünften Phasenzweig 39. Die drei Phasenzweige 37-39 verbinden jeweils den ersten primärseitigen Gleichspan nungspol 35 mit einem ersten sekundärseitigen Gleichspan nungspol 41. Der erste Phasenzweig 37 weist einen ersten Wechselspannungsanschluss 40a auf, der dritte Phasenzweig 38 weist einen dritten Wechselspannungsanschluss 40b auf, der fünfte Phasenzweig 39 weist einen fünften Wechselspannungsan schluss 40c auf Der erste Teilumrichter 33 ist ein modularer Mehrstufenumrichter (MMC). In einem ersten Umrichterarm des ersten Teilumrichters 33, der sich zwischen dem ersten pri märseitigen Gleichspannungspol 35 und dem ersten Wechselspan nungsanschluss 40a erstreckt ist eine Reihenschaltung von Schaltmodulen SM angeordnet. Auf den Aufbau der Schaltmodule SM gemäß dem hier dargestellten Beispiel wird nachfolgend an hand der Figuren 9 und 10 näher eingegangen. Jedes der Schaltmodule SM umfasst im Allgemeinen mehrere abschaltbare Leistungshalbleiter (wie beispielsweise abschaltbare Transis toren) sowie einen moduleigenen Energiespeicher, üblicher weise in Form eines Schaltmodulkondensators. Ein zweiter Um richterarm des ersten Teilumrichters 33 zwischen dem ersten Wechselspannungsanschluss 40a und dem ersten sekundärseitigen Gleichspannungspol 41 umfasst eine weitere Reihenschaltung der Schaltmodule SM. Beide Umrichterarme weisen ferner eine Arminduktivität Lärm auf. Die übrigen zwei Phasenzweige des ersten Teilumrichters 33 sind zum ersten Phasenzweig 37 im Wesentlichen gleichartig aufgebaut.
Der zweite Teilumrichter 34 ist ein diodenbasierter, passi ver, dreiphasig ausgebildeter Umrichter. Er umfasst einen zweiten Phasenzweig 43, einen vierten Phasenzweig 44 und ei nen sechsten Phasenzweig 45, die den ersten sekundärseitigen Gleichspannungspol 41 mit einem zweiten sekundärseitigen Gleichspannungspol 42 verbinden. Jeder der drei Phasenzweige 43-45 weist jeweils einen zugeordneten Wechselspannungsan schluss 46a,46b bzw. 46c. Jeder der drei Phasenzweige 43-45 weist ferner zwei Umrichterarme: einen ersten oder oberen Um- richterarm zwischen dem ersten sekundärseitigen Gleichspan nungspol 41 und dem jeweils zugeordneten Wechselspannungsan schluss 46a-c sowie einen zweiten bzw. unteren Umrichterarm zwischen dem zugeordneten Wechselspannungsanschluss 46a-c und dem zweiten sekundärseitigen Gleichspannungspol 42. Jeder der Umrichterarme des zweiten Teilumrichters 34 umfasst eine Rei henschaltung von Hochleistungsdioden 47, 48, 49, 50, 51 bzw. 52.
Ein zweiter primärseitiger Gleichspannungspol 53 ist mit dem zweiten sekundärseitigen Gleichspannungspol 42 direkt verbun den.
Eine an den primärseitigen Gleichspannungspolen 35, 53 anste hende primärseitige Spannung wird als VDci bezeichnet. Eine an den sekundärseitigen Gleichspannungspolen 41, 42 anstehende sekundärseitige Spannung wird als VDc2 bezeichnet. Auf der Primärseite fließt ein primärseitiger Strom IDCi, auf der Se kundärseite ein sekundärseitiger Strom IDc2-
Die Versorgungseinrichtung 30 umfasst ferner eine Kopplungs einrichtung 54 zum Energieaustausch zwischen den Teilumrich tern 33, 34. Die Kopplungseinrichtung 54 verbindet die Wech selspannungsanschlüsse 40a-c des ersten Teilumrichters 33 mit den Wechselspannungsanschlüssen 46a-c des zweiten Teilumrich ters 34. Die Kopplungseinrichtung 54 umfasst einen Kopplungs transformator 55 mit einer Primärseite bzw. Primärwicklung 56, die an den ersten Teilumrichter 33 angeschlossen ist, und mit einer Sekundärseite bzw. Sekundärwicklung 57, die an den zweiten Teilumrichter 34 angeschlossen ist.
Die Versorgungseinrichtung 30 umfasst ferner eine Regelungs einrichtung zur Durchführung einer Spannungs-, Strom- und/oder Leistungsregelung (die jedoch figürlich nicht darge stellt ist). Die Regelungseinrichtung kann eine Ansteuerein- heit umfassen, die zur Ansteuerung aller steuerbaren Leis tungshalbleiter der Versorgungseinrichtung 30 eingerichtet ist.
In Figur 5 ist eine weitere Versorgungseinrichtung 60 darge stellt. Gleiche und gleichartige Bauteile und Elemente sind in den Figuren 4 und 5 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dies gilt im Übrigen auch für die nachfolgenden Figuren 6 bis 8. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird im Folgenden nur auf die Unterschiede zwischen der Versorgungseinrichtung 30 der Figur 4 und der Versorgungseinrichtung 60 eingegangen.
Im Unterschied zur Versorgungseinrichtung 30 umfasst die Ver sorgungseinrichtung 60 einen DC-Spannungswandler 32, dessen zweiter Teilumrichter 34 thyristorbasiert ist. Das bedeutet, dass in jedem der drei Phasenzweige 43-45 bzw. in jedem der sechs entsprechenden Umrichterarme eine Reihenschaltung von Thyristoren 61-66 angeordnet ist.
In Figur 6 ist eine Versorgungseinrichtung 70 dargestellt. Im Unterschied zur Versorgungseinrichtung 60 der Figur 5 (Rei henschaltungen von) Schalteinheiten 71-76 in jedem Umrichter arm der Phasenzweige 43-45, die jeweils antiparallel geschal tete Thyristoren umfassen. Die Verwendung der Doppelthyris- tor-Schaltungen (antiparallele Thyristoren) erlaubt eine Rückspeisung von Energie in ein angeschlossenes Wechselspan nungsnetz 77 ohne die DC-Spannung umzukehren. Dazu ist an dem Kopplungstransformator 55 eine Tertiärwicklung 78 vorgesehen, mittels der die Versorgungseinrichtung 70 mit dem Wechsel spannungsnetz 77 verbindbar ist.
In Figur 7 ist eine Versorgungseinrichtung 80 dargestellt. Im Unterschied zur Versorgungseinrichtung 70 der Figur 6 sind die Schaltmodule SM des ersten Teilumrichters 33 konkret als Halbbrückenschaltmodule HB ausgebildet. Auf den Aufbau der Halbbrückenschaltmodule HB wird nachfolgend im Zusammenhang mit der Figur 9 detailliert eingegangen. Ferner umfasst die Versorgungseinrichtung 80 einen Gleich spannungsleistungsschalter 81 (DC-Breaker), der am ersten primärseitigen Gleichspannungspol 35 angeordnet ist, so dass der DC-Spannungswandler 32 über den Gleichspannungsleistungs schalter 81 mit dem primärseitigen Gleichspannungsnetz bzw. der Gleichspannungsleitung verbunden ist. In einem Fehlerfall (z.B. Kurzschluss) auf der primärseitigen Gleichspannungssei te kann mittels des Gleichspannungsleistungsschalters 81 der DC-Spannungswandler geschützt werden.
In Figur 8 ist eine Versorgungseinrichtung 82 zur Versorgung der Hochstromlast 31 dargestellt. Im Unterschied zu den Ver sorgungseinrichtungen der vorangehenden Figuren sind beide Teilumrichter 33 und 34 als modulare Mehrstufenumrichter aus gebildet. Entsprechend umfassen die Phasenzweige 37-39 bzw. 43-45 jeweils Reihenschaltungen von Schaltmodulen mit jeweils Leistungshalbleiterschaltern und schaltmoduleigenen Energie speichern. Dabei sind in jedem der insgesamt zwölf Umrichter armen, die sich jeweils zwischen einem der Gleichspannungspo le 35, 41, 42, 53 und einem der Wechselspannungsanschlüsse 40a-c, 46a-c erstrecken, sowohl Halbbrückenschaltmodule HB als auch Vollbrückenschaltmodule FB vorgesehen. Auf den Auf bau der Halbbrücken- und Vollbrückenschaltmodule wird nach folgend im Zusammenhang mit den Figuren 9 und 10 näher einge gangen. Mittels der Vollbrückenschaltmodule kann der DC- Spannungswandler 32 in einem Fehlerfall geschützt werden, da diese dazu geeignet sind, eine Gegenspannung aufzubauen, die einen Kurzschlussstrom durch den DC-Spannungswandler 32 redu zierten bzw. verhindern kann.
Figur 9 zeigt ein Halbbrückenschaltmodul 101. Das Halbbrü- ckenschaltmodul 101 weist zwei Anschlüsse XI und X2 auf. Der Anschluss XI kann beispielsweise das Halbbrückenschaltmodul 101 mit dem Anschluss X2 eines weiteren Halbbrückenschaltmo duls verbinden, so dass eine Reihenschaltung der Halbbrücken schaltmodule gebildet ist. Das Halbbrückenschaltmodul 101 umfasst einen ersten Halb leiterschalter 102 in Form eines Bipolartransistors mit iso lierter Gate-Elektrode (IGBT), dem eine Freilaufdiode 103 an tiparallel geschaltet ist. Ferner umfasst das Halbbrücken schaltmodul 101 einen zweiten Halbleiterschalter 104 in Form eines IGBT, dem eine Freilaufdiode 105 antiparallel geschal tet ist. Die Durchlassrichtung der beiden Halbleiterschalter 102 und 104 ist gleichgerichtet. Der erste Anschluss XI ist an einem Potenzialpunkt 113 zwischen den beiden Halbleiter schaltern 102 und 104 angeordnet. Der zweite Anschluss X2 ist mit dem Emitter des zweiten Halbleiterschalters 104 verbun den.
Parallel zu den beiden Halbleiterschaltern 102, 104 ist ein Energiespeicher in Form eines Hochleistungskondensators 106 angeordnet. Durch eine geeignete Ansteuerung der Halbleiter schalter 102, 104 kann, bei einer durch einen Pfeil im ange deuteten Betriebsstromrichtung, der Kondensator 106 zuge schaltet oder überbrückt werden, so dass an den Anschlüssen XI, X2 eine Schaltmodulspannung Vm ansteht, die entweder der am Kondensator 106 abfallende Spannung Vc oder einer Spannung null entspricht.
Ein Beispiel eines Vollbrückenschaltmoduls 108 ist in Figur 10 schematisch dargestellt. Das Vollbrückenschaltmodul 108 weist einen ersten Halbleiterschalter 109 in Form eines IGBT, dem eine Freilaufdiode 110 antiparallel geschaltet ist sowie einen zweiten Halbleiterschalter 111 in Form eines IGBT, dem eine Freilaufdiode 112 antiparallel geschaltet ist. Die Durchlassrichtung der beiden Halbleiterschalter 109 und 111 ist gleichgerichtet. Ferner umfasst das Vollbrückenschaltmo dul 108 einen dritten Halbleiterschalter 113 in Form eines IGBT, dem eine Freilaufdiode 114 antiparallel geschaltet ist sowie einen vierten Halbleiterschalter 115 in Form eines IGBT, dem eine Freilaufdiode 116 antiparallel geschaltet ist. Die Durchlassrichtung der beiden Halbleiterschalter 113 und 115 ist gleichgerichtet. Die Halbleiterschalter 109 und 111 mit ihnen zugeordneten Freilaufdioden 110, 112 bilden somit eine Reihenschaltung, die einer durch die Halbleiterschalter 113, 115 und die zugeordneten Freilaufdioden 114 und 116 ge bildeten Reihenschaltung parallelgeschaltet ist. Ein Energie speicher in Form eines Hochleistungskondensators 117 ist pa rallel zu den beiden Reihenschaltungen angeordnet. Der erste Anschluss XI ist an einem Potenzialpunkt 118 zwischen den Halbleiterschaltern 109, 111 angeordnet, der zweite Anschluss X2 ist an einem Potenzialpunkt 119 zwischen den Halbleiter schaltern 113, 115 angeordnet.
Durch eine geeignete Steuerung der Leistungshalbleiter 109, 111, 113 und 115 kann bei einem gegebenen Strom im durch das Schaltmodul eine an den Anschlüssen XI, X2 abfallende Schalt modulspannung Vm erzeugt werden, die einer am Kondensator 117 abfallenden Energiespeicherspannung Vc, der am Kondensator 117 abfallenden Energiespeicherspannung jedoch mit entgegen gesetzter Polarität oder einer Spannung null entspricht.
In Figur 11 ist ein Teilumrichter 120 dargestellt, der als der erste und/oder der zweite Teilumrichter 33 bzw. 34 der DC-Spannungswandler 32 der vorangehenden Figuren verwendbar ist. Der Teilumrichter 120 ist dreiphasig ausgebildet und um fasst sechs Umrichterarme 121-126, die sich jeweils zwischen einem der Gleichspannungspole 127, 128 und einem der Wechsel spannungsanschlüsse 129-131 erstrecken. In jedem der Um richterarme 121-126 ist eine Reihenschaltung von Schaltele menten angeordnet (figürlich durch ein einzelnes Schaltele ment 132 repräsentiert), wobei jedes Schaltelement 132 einen abschaltbaren Halbleiterschalter 133 (IGBT wie in der Figur gezeigt, IGCT, GTO oder dergleichen) und eine dazu antiparal lel geschaltete Diode 134 umfasst. Der Teilumrichter 120 wird oftmals als 2-Level-Konverter bezeichnet.
In Figur 12 ist eine Versorgungseinrichtung 130 dargestellt, die für eine Bipol-Konfiguration konzipiert ist. Die Versor gungseinrichtung ist dazu geeignet, eine erste und eine zwei te Hochstromlast 131 bzw. 132 zu versorgen. Die Versorgungseinrichtung 130 umfasst einen ersten DC- Spannungswandler 133 und einen zweiten DC-Spannungswandler 134. Der erste Spannungswandler 133 weist eine erste Umricht erreihenschaltung mit einem ersten Teilumrichter 135 und ei nem zweiten Teilumrichter 136, die sich zwischen einem ersten Gleichspannungspol 137 und einem zweiten, durch Erdrücklei tung oder dediziertem metallischem Rückleiter (DMR) gebilde ten Gleichspannungspol 138 erstreckt. Der erste DC- Spannungswandler 133 ist dazu eingerichtet, eine primärseiti ge Spannung VDc,i in eine sekundärseitige Spannung VDC,n umzu wandeln. Die durch den ersten DC-Spannungswandler 133 flie ßenden Ströme sind mit IDc,i bzw. IDC,II gekennzeichnet. Der zweite DC-Spannungswandler 134 weist eine erste Umrichterrei henschaltung mit einem dritten Teilumrichter 139 und einem zweiten Teilumrichter 140, die sich zwischen dem zweiten Gleichspannungspol 138 und einem dritten Gleichspannungspol 141 erstreckt. Der zweite DC-Spannungswandler 134 ist dazu eingerichtet, eine primärseitige Spannung, die im gezeigten Beispiel der Spannung VDc,i entspricht, in eine sekundärseiti ge Spannung umzuwandeln, die im gezeigten Beispiel der Span nung VDC,ii entspricht. Die durch den ersten DC- Spannungswandler 133 fließenden Ströme sind mit IDc,i bzw.
IDC,II gekennzeichnet. Beide DC-Spannungswandler 133 und 134 weisen jeweils eine Wechselspannungsanbindung 142, 143 an ex terne Wechselspannungsnetze auf.
Eine weitere Konfiguration einer Versorgungseinrichtung 150 ist in Figur 13 dargestellt. Die Versorgungseinrichtung 150 umfasst einen DC-Spannungswandler 151 mit drei Teilumrichtern 152-154. Die Versorgungseinrichtung 150 ist dazu eingerich tet, eine primärseitige DC-Klemmenspannung 2*VDC,I in eine se kundärseitige DC-Klemmenspannung 2*VDC,n umzuwandeln, um eine Hochstromlast 155 zu versorgen. Die Ausführung der Versor gungseinrichtung 150 ist besonders aus der Sicht des Trans formatordesigns vorteilhaft. Es ist erkennbar, dass nur ein Hochstromtransformator (anstelle von zwei) an dem zweiten bzw. mittleren Teilumrichter 153 benötigt wird. In Figur 14 ist eine Versorgungseinrichtung 160 dargestellt. Die Versorgungseinrichtung wandelt eine primärseitige Span nung VDC,i in eine sekundärseitige Spannung VDC,n zur Versor gung einer Hochstromlast 161. Die durch die Versorgungsein richtung 160 fließenden Ströme sind in der Figur 14 primär seitig mit IDC,i und entsprechend sekundärseitig mit IDC,II be zeichnet.
Die Versorgungseinrichtung 160 umfasst, ähnlich beispielswei se der Versorgungseinrichtung 80 der Figur 7, einen DC- Spannungswandler 162 mit zwei Teilumrichtern 163 bzw. 164. Zusätzlich umfasst der DC-Spannungswandler 162 jedoch, im Un terschied zur besagten Versorgungseinrichtung 80, weitere Teilumrichter 165 und 166. Die weiteren Teilumrichter 165,
166 sind in einer Parallelschaltung zu dem zweiten Teilum richter 164 angeordnet. Dank der Parallelschaltung der Tei lumrichter kann ein höherer sekundärseitiger Strom IDC,II be reitgestellt werden, ohne die Stromtragfähigkeit der einzel nen Teilumrichter selbst zu erhöhen.
Figur 15 zeigt eine weitere Versorgungseinrichtung 170. Glei che und gleichartige Elemente bzw. Bauteile sind in den Figu ren 14 und 15 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Aus Grün den der Übersichtlichkeit wird im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zwischen der Versorgungseinrichtung 170 und der Versorgungseinrichtung 160 der Figur 14 näher eingegangen.
Im Unterschied zur Versorgungseinrichtung 160 umfasst die beispielhaft dargestellte Versorgungseinrichtung 170 drei pa rallel geschaltete sekundärseige Anschlüsse 173-175 zum Ver binden mit drei Hochstromlasten 161, 171 und 172. Auf diese Weise ist die Versorgungseinrichtung 170 zum gleichzeitigen Versorgen von drei Hochstromlasten 161, 171 und 172 einge richtet. Hierbei sei darauf hingewiesen, dass die Anzahl der auf der DC-Unterspannungsseite parallel geschalteten Syste me/Hochstromlasten nicht auf drei beschränkt ist, sondern va riabel an die Erfordernisse der Anlage skaliert werden kann. Dies wird gerade im Hinblick auf die Standardisierung des Elektrolyse-Systeme, wie auch im Hinblick auf die Betriebs führung und Wartung solcher Anlagen als vorteilhaft erachtet.
In Figur 16 ist eine beispielhafte Anordnung 200 zum Umwan deln elektrischer Energie in chemische Energie unter Gaser zeugung dargestellt. Die Anordnung 200 umfasst eine Energie- erzeugungs- und Energieeinspeisungssanlage 201. Die Energie einspeisungsanlage 201 umfasst Windturbinen 202, 203, 204 mit zugehörigen Generatoren 205-207, Windturbinenumrichtern 208- 210 sowie mit Mittelspannungstransformatoren 211-213, mittels dessen die Windenergie in elektrische Energie umgewandelt wird und in ein erstes Wechselspannungsnetz 214 eingespeist wird. Ein Gleichrichter 215 ist bereitgestellt und dazu ein gerichtet, die Wechselspannung des ersten Wechselspannungs netzes 214 in eine Gleichspannung umzuwandeln und in ein Gleichspannungsnetz bzw. Gleichspannungslei tung/Gleichspannungsverbindung 216 einzuspeisen. Die Energie einspeisungsanlage 201 kann im Offshore-Bereich angeordnet sein.
Die als Gleichspannung und Gleichstrom bereitgestellte Leis tung aus Windenergie wird über die Gleichspannungsverbindung 216 an Land übertragen (was mit einer Linie 222 angedeutet ist), wo die Gleichspannung mittels eines Wechselrichters 217 in eine Wechselspannung übersetzt und in ein zweites Wechsel spannungsnetz bzw. ein Versorgungsnetz 218 eingespeist wird. Die Anordnung umfasst ferner einen sogenannten DC-Chopper 219, der dazu eingerichtet ist, überschüssige Energie in Ver lust-Wärme umzuwandeln.
Die Anordnung umfasst ferner eine Versorgungseinrichtung 220 zur Versorgung einer Hochstromlast 221 in Form einer Elektro lyseanlage, mittels der elektrische Energie in chemische Energie unter Gaserzeugung umgewandelt wird, wobei die chemi sche Energie in dem erzeugten Gas (beispielsweise H2) gespei chert und für einen weiteren Transport aufbereitet wird. Als Versorgungseinrichtung 220 ist beispielsweise eine der in den Figuren 4 bis 15 dargestellten Ausführungsbeispielen von Ver sorgungseinrichtungen einsetzbar.
In Figur 17 ist eine Anordnung 230 zum Umwandeln elektrischer Energie in chemische Energie unter Gaserzeugung dargestellt. Gleiche und gleichartige Elemente bzw. Bauteile sind in den Figuren 16 und 17 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zwischen der Anordnung 230 und der Anordnung 200 der Figur 16 näher eingegangen. Dies gilt im Übrigen auch für die nachfolgenden Figuren 18 und 19.
Im Unterschied zur Anordnung 200 umfasst die Anordnung 230 einen Gleichrichter 231, der als Diodengleichrichter ausge bildet ist. Dies erlaubt Vorteile insbesondere in Bezug auf Herstellungs-, Installations- und Betriebskosten des Gleich richters.
In Figur 18 ist eine Anordnung 240 ähnlich der Anordnung 230 der Figur 17 dargestellt. Im Unterschied zur Anordnung 230 wurde in der Anordnung 240 auf den DC-Chopper verzichtet. An dessen Stelle tritt eine Versorgungseinrichtung 241, die dazu eingerichtet ist, sekundärseitig sowohl mit einer Hochstrom last 242 als auch mit einer Einrichtung 243 zur Speicherung elektrischer Energie (Super-Caps bzw. leistungsfähige Batte rie-Systeme) oder eines Systems zur Wärmespeicherung bzw. Wärmeauskopplung verbunden zu werden. Hierbei ist es beson ders vorteilhaft, wenn die oben genannten Einrichtungen 243 hoch-dynamische Eigenschaften zur Abpufferung eines Leis tungs-Ungleichgewichtes aufweisen.
In Figur 19 ist eine besonders vorteilhafte Anordnung 250 ähnlich der Anordnung 240 der Figur 18 dargestellt. Im Unter schied zur Anordnung 240 übernimmt in der Anordnung 250 ein voll-integriertes Anlagenkonzept mit der Einrichtung 251 zur Einbindung einer Hochstromanwendung 252 zusätzlich die Rolle eines Wechselrichters zum Umwandeln der Gleichspannung in die Wechselspannung zur Einspeisung in das Versorgungsnetz 218 (mittels eines Hochspannungstransformators 253).
Zugleich ist die Einrichtung 251 - neben der Hochstromanwen dung 252 - mit einer Einrichtung 254 zur Umwandeln einer DC- Leistung in weiterhin nutzbare Energie verbunden.
Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Einrichtung 252 und 254 hoch-dynamische Eigenschaften zur Abpufferung ei nes Leistungs-Ungleichgewichtes aufweisen. Bi-direktionale Lastflusseigenschaften der Einrichtungen 252 und 254 sind ebenso besonders vorteilhaft.
Vor allem zur Flexibilisierung und Erreichung einer voll- integrativen Sektorenkopplung des Strom- und Gasmarktes ist es besonders von Vorteil, wenn die Einrichtung 252 sowohl für den Elektrolyse- als auch den Brennstoffzellen-Betrieb einge- richtet ist. Hier sind die hochdynamischen Eigenschaften der „Proton Exchange Membrane" (PEM) Elektrolyse bzw. der sog. Hochtemperatur Elektrolyse besonders vorteilhaft.
Hierzu sind die erfindungsgemäßen Schaltungstopologien der Einrichtung 251 mit der Einrichtung eines bi-direktionalen Lastflusses besonders vorteilhaft.

Claims

Patentansprüche
1. Versorgungseinrichtung (30) für eine Hochstromlast (31) mit einem Spannungswandler (32), wobei der Spannungs wandler (32) einem ersten Teilumrichter (33) und einen zweiten Teilumrichter (34) umfasst, wobei die Teilum richter (33, 34) miteinander in einer Umrichterreihen schaltung zwischen einem ersten und einem zweiten pri märseitigen Gleichspannungspol (35, 36) geschaltet sind, wobei der zweite Teilumrichter (34) zwischen einem ers ten und einem zweiten sekundärseitigen Gleichspannungs pol (41 ,42) geschaltet ist, wobei die Teilumrichter je weils wenigstens einen Wechselspannungsanschluss (40a - c, 46a - c) aufweisen, die mittels einer Kopplungsein richtung (54) miteinander verbunden sind, so dass ein Austausch elektrischer Leistung zwischen dem ersten und dem zweiten Teilumrichter ermöglicht ist, wobei die se kundärseitigen Gleichspannungspole (41, 42) zum Verbin den mit der Hochstromlast (31) eingerichtet sind.
2. Versorgungseinrichtung (30) nach Anspruch 1, wobei der erste Teilumrichter (33) wenigstens einen ersten Phasenzweig (37) umfasst, der sich zwischen dem ersten primärseitigen Gleichspannungspol (35) und dem ersten sekundärseitigen Gleichspannungspol (41) erstreckt, und in dem Leistungshalbleiter sowie ein erster Wechselspan nungsanschluss (40a) angeordnet sind, und der zweite Teilumrichter (34) wenigstens einen zweiten Phasenzweig (43) umfasst, der sich zwischen dem ersten sekundärseitigen Gleichspannungspol (41) und dem zweiten sekundärseitigen Gleichspannungspol (42) erstreckt, und in dem Leistungshalbleiter (47, 50) sowie ein zweiter Wechselspannungsanschluss (46a) angeordnet sind, wobei die Wechselspannungsanschlüsse (40a, 46a) mittels der Kopplungseinrichtung (54) miteinander verbunden sind.
3. Versorgungseinrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Kopplungseinrichtung (54) einen Kopplungs transformator (55) umfasst, dessen Primärseite (56) mit dem ersten Wechselspannungsanschluss (40a - c) des ers ten Teilumrichters (33) und die Sekundärseite (57) mit dem ersten Wechselspannungsanschluss (46a - c) des zwei ten Teilumrichters (34) verbunden ist.
4. Versorgungseinrichtung (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Hochstromlast (31) eine Elektrolyseanlage oder eine Lichtbogenofenanlage ist.
5. Versorgungseinrichtung (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Teilumrichter (34) ein netzgeführter Teilumrichter, insbesondere ein thyristorbasierter Tei lumrichter ist.
6. Versorgungseinrichtung (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Teilumrichter (34) ein passiver Teilum richter, insbesondere ein diodenbasierter Teilumrichter ist.
7. Versorgungseinrichtung (70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Teilumrichter (34) ein doppeltyhristor- basierter Teilumrichter mit antiparallelen Thyristoren ist.
8. Versorgungseinrichtung (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Teilumrichter (33) ein modularer Mehr stufenumrichter ist.
9. Versorgungseinrichtung (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Teilumrichter (33) Schaltmodule umfasst, mittels deren unipolare Schaltmodulspannungen erzeugbar sind, insbesondere Halbbrückenschaltmodule.
10. Versorgungseinrichtung (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Teilumrichter (33) Schaltmodule umfasst, mittels deren bipolare Schaltmodulspannungen erzeugbar sind, insbesondere Vollbrückenschaltmodule.
11. Versorgungseinrichtung (82) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sowohl der erste als auch der zweite Teilumrichter (33, 34) Halbbrückenschaltmodule (43) und/oder Vollbrü ckenschaltmodule (VB) umfasst.
12. Versorgungseinrichtung (80) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Gleichspannungsleistungsschalter (81) vorgese hen ist, der mit einem der primärseitigen Gleichspan nungspole verbunden ist.
13. Versorgungseinrichtung (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Spannungswandler für eine Spannungswandlung mit einem Spannungsübersetzungsverhältnis primärseitiger zu sekundärseitiger Spannung von 2 bis 20 ausgelegt ist.
14. Versorgungseinrichtung (30) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die beiden Teilumrichter (33, 34) jeweils mindes tens zweiphasig ausgebildet sind.
15. Versorgungseinrichtung (70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kopplungseinrichtung (54) einen Kopplungsan schluss (78) aufweist, der zum Verbinden der Anordnung mit einem Wechselspannungsnetz (77) eingerichtet ist.
16. Versorgungseinrichtung (70) nach Anspruch 15, wobei der Kopplungsanschluss (78) eine Tertiärwicklung eines Kopplungstransformators (55) ist.
17. Versorgungseinrichtung (160) nach einem der vorangehen den Ansprüche, wobei die Versorgungseinrichtung (160) einen dritten Teilumrichter (165) umfasst, der in einer Umrichterpa rallelschaltung mit dem zweiten Teilumrichter (164) ver bunden ist.
18. Anordnung (200) zum Umwandeln elektrischen Energie in chemische Energie unter Gaserzeugung mit einer Energieerzeugungsanlage (201), mittels der elekt rische Energie bereitstellbar und mittels einer Gleich stromübertragungsstrecke (216) übertragbar ist, einer Versorgungseinrichtung (220) nach einem der voran gehenden Ansprüche, wobei die Versorgungseinrichtung (220) primärseitig mit der Gleichstromübertragungsstre cke (216) verbunden ist.
19. Anordnung (200) nach Anspruch 16, wobei die Energieerzeugungsanlage einen Gleichrichter (215) umfasst, mittels dessen die Energieerzeugungsanla ge (201) mit der Gleichstromübertragungsstrecke (216) verbunden ist.
20. Anordnung (250) nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Kopplungseinrichtung des Spannungswandlers ei nen Kopplungsanschluss (255) aufweist, der mit einem Versorgungsnetz (218) verbunden ist.
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