WO2024175299A1 - Method for supplying a consumer, in particular an electrolyser, with a dc voltage, and device for carrying out the method - Google Patents

Method for supplying a consumer, in particular an electrolyser, with a dc voltage, and device for carrying out the method Download PDF

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Paul Mehringer
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Definitions

  • the invention relates to a method for supplying a consumer, in particular an electrolyzer, with a direct voltage and a device for carrying out the method according to the preamble of the independent claims.
  • a circuit arrangement, a method for operating a circuit arrangement and an electrolysis device are known from EP 3752665 B1.
  • the circuit arrangement comprises a rectifier which converts an input-side alternating voltage into a first output-side direct voltage, with each electrolyzer being connected in parallel to the output of the rectifier via a step-down converter which converts the first direct voltage into a second direct voltage in such a way that the second direct voltage drops across the electrolyzer, with each of the step-down converters being designed to be controllable and/or adjustable to adjust the level of its second direct voltage.
  • the circuit arrangement comprises several switches, with each step-down converter being bridgeable by a switch.
  • the invention is based on the object of ensuring safe operation of the consumer in which both single-stage operation and two-stage operation can be reliably achieved. This object is achieved by the features of the independent claims.
  • the method according to the features of independent claim 1 has the advantage that the use of inverter and converter and the associated switching means is possible more evenly.
  • the converter In single-stage operation, the converter is operated in parallel with the rectifier, while in two-stage operation the converter is operated sequentially after the rectifier.
  • 50% of the maximum current can be operated in the case of the two-stage configuration, and is therefore particularly suitable for the lower half of the power spectrum, while in single-stage operation 100% of the maximum current can be operated by adding the individual currents. In this way, low voltages can be achieved equally as well as high powers at high voltages due to a high maximum current.
  • the characteristic curve of the consumer is selected so that it runs through a switching range, wherein a change from single-stage operation to two-stage operation and vice versa is possible in the switching range.
  • a characteristic curve of the consumer is selected such that it runs through a switching range in which a change between single-stage operation and two-stage operation is possible.
  • the switching range depends on at least one voltage limit value, in particular depending on a phase voltage of the power source, and/or in particular depending on a maximum voltage for which the rectifier and/or the DC-DC converter or their switching means is designed. This makes it easy to parameterize depending on the respective voltage used. power source and/or the power electronics used.
  • the switching range particularly preferably depends on at least one power limit value.
  • the switching range is selected so that a voltage at the consumer lies between an upper voltage limit and a lower voltage limit and that a power at the consumer lies below a power limit.
  • Figure 1 shows the cell voltage as a function of cell current density and temperature
  • Figure 2 the voltage of the electrolyzer as a function of current and temperature
  • Figure 3 is a schematic diagram of the circuit arrangement
  • Figure 4 shows a concrete circuit arrangement of the principle shown in Figure 3
  • Figure 5 shows the circuit arrangement according to Figure 4 in a two-stage operation
  • Figure 6 shows the circuit arrangement according to Figure 4 in a single-stage operation in which the converter is operated as a rectifier connected in parallel to the rectifier
  • Figure 7 shows an alternative embodiment of a circuit arrangement with a common output coil
  • Figure 8 shows an example limit characteristic curve for two-stage operation
  • Figure 9 shows an example limit characteristic curve for single-stage operation
  • Figure 10 the relationship between the voltage characteristic of a consumer, in particular electrolyzer, and the characteristic of the alternating concept of the operating stages, as well as
  • Figure 11 shows an illustration of an inappropriate matching of the characteristic curves with possible remedial measures.
  • Figure 1 shows the dependence of the cell voltage Uz of a cell of a possible consumer, in particular an electrolyzer 40, on the current density j and the temperature T.
  • An electrolyzer 40 is used in the electrolysis of water to produce hydrogen and oxygen using electrical current.
  • the electrolyzer 40 is formed by a large number of individual cells connected in series, each of which has a cell voltage Uz.
  • the cell voltage Uz increases with the cell current density j and with decreasing temperature T.
  • the cell voltage Uz depends on the state of aging. With increasing age, the cell voltage Uz also increases. However, this relationship is not shown in Figure 1.
  • Figure 2 shows the voltage U of the consumer, in particular the electrolyzer 40, as a function of current I and temperature T.
  • the dependence of current I, temperature T and aging state remains the same when moving from the cell to the electrolyzer 40.
  • the relationships shown in Figures 1 and 2 show that, especially at low voltages U, particularly with certain types of inverters, special efforts are necessary to make these low voltages U available to the consumer, in particular the electrolyzer 40.
  • a dashed line is drawn which indicates that, in particular at low currents (for example less than between 375 and 400 A), a two-stage operation 23 is expedient, and at higher currents a single-stage operation 21 is expedient for an adequate supply of the consumer, in particular the electrolyzer 40.
  • electrolyzers 40 For consumers, in particular electrolyzers 40, powerful current sources or power sources 12, such as a mains connection, are usually required. Rectifiers are used to convert the alternating voltage into a direct voltage U suitable for the consumer, in particular electrolyzer 40. If an active bridge circuit, in particular an active B6 bridge, is used as the bridge circuit, this results in a lower voltage limit that cannot be undercut. For classic 400 V phase voltages, this lower voltage limit is in the range of approximately 600 V. Looking at Figure 2, it is clear that two-stage rectifier concepts must be used using an additional step-down converter.
  • FIG 3 shows a schematic of the structure of the circuit arrangements as specified in more detail in Figures 4-7.
  • the upper arrangement is intended for a 2-stage operation 23.
  • a rectifier 16 is supplied by a power source 12 providing alternating current via coils 14, which enable boost converter operation, like a mains connection.
  • the alternating voltage rectified by the rectifier 16 is fed via an intermediate circuit 26 to a converter 30, which is operated as a direct current converter in two-stage operation 23.
  • the consumer, in particular electrolyzer 40 is supplied with direct current via the further coils 38 and a common output coil 46.
  • the lower arrangement is intended for a single-stage operation 21.
  • the converter 30 is now operated as a rectifier 30, connected in parallel to the rectifier 16, via the further coils 38.
  • the direct current then passes via the intermediate circuit 26 and the common output coil 46. le 46 to the consumer, in particular electrolyser 40, for its supply.
  • FIG 4 shows an example of the circuit implementation of the concept according to Figure 3.
  • the power source 12 is schematically designed as a three-phase mains connection.
  • the circuit arrangement for supplying the electrolyzer 40 comprises at least one rectifier 16 designed as a bridge circuit, which is connected via an intermediate circuit 26 to a converter 30, which is also designed as a bridge circuit.
  • the converter 30 serves as a step-down converter if necessary in order to access the lower voltages U.
  • the rectifier 16 serves as a power converter and comprises, for example, three rectifier branches 20, 22, 24 connected in parallel. In each of the rectifier branches 20, 22, 24, two switches 18 are arranged in series with one another.
  • semiconductor switches such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) are used as switches 18, but other controllable power semiconductors such as MOSFETs made of SiC, GaN, etc., for example, can just as well be used.
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • MOSFETs made of SiC, GaN, etc., for example, can just as well be used.
  • the rectifier 16 is thus constructed as an active B6 bridge.
  • the two outputs of the rectifier 16 are connected to the intermediate circuit 26.
  • the rectifier 16 therefore converts the alternating voltage of the power source 12 into a direct voltage, which is used to feed the intermediate circuit 26.
  • An intermediate circuit capacitor 28 is connected to the two outputs of the rectifier 16 in the intermediate circuit 26.
  • the intermediate circuit 26 in this embodiment is therefore a direct voltage intermediate circuit.
  • a further converter 30 is provided, which in turn comprises three parallel branches 32, 34, 36.
  • the parallel branches 32, 34, 36 two switches 18 are arranged in series.
  • the common potentials of the branches 32, 34, 36 are in turn connected to the intermediate circuit 26.
  • the converter 30 can also be connected to the power source 12.
  • an electrically conductive contact is made between the two switches 18 of a branch 32, 34, 36 with the respective phases of the power source 12, which are each connected via corresponding corresponding further coils 38 and each via a first switch 41.
  • the three phases each routed via the first switch 41 are on the one hand fed to the converter 30 via the respective further coils 38, on the other hand routed at a branching point via further switches 42 provided for each phase and brought together after the further switch at the same potential for further contacting of the input of the electrolyzer 40.
  • the common (upper) potential of the intermediate circuit 26 lying between the rectifier 16 and the converter 30 is routed to the input of the electrolyzer 40 via a third switching means 43.
  • the further input of the electrolyzer 40 is at the same (lower) potential as the reference potential of the intermediate circuit 26 or of the two bridge circuits 16, 30 also connected to the further input of the electrolyzer 40.
  • the switches 41, 42, 43 are components of a switch unit which enable the converter 30 to be operated optionally as a rectifier or AC/DC converter, in particular connected in parallel to the rectifier 16, which also functions as a step-up converter or AC/DC converter, and as a DC/DC converter, in particular as a step-down converter.
  • the switch unit enables both a single-stage operation 21 (parallel connection of the two bridge circuits 16, 30 and operation as a rectifier or AC/DC converter) and a two-stage operation 23 (the converter 30 forms the further stage and functions as a DC/DC converter or DC/DC converter, in particular a step-down converter, sequentially coupled to the intermediate circuit 26).
  • the different operating modes with the associated positions of the switches 41, 42, 43 of the switch unit are shown in the following Figures 5 and 6.
  • FIG. 5 shows the switch positions in two-stage operation 23.
  • the first switches 41 are open. There is therefore no feeding or supply of the converter 30 by the power source 12 via the other coils 38. There is also no conductive connection between the intermediate circuit 26 and the first input of the consumer, in particular the electrolyzer 40.
  • the output voltage (DC voltage) of the rectifier 16 serves as the input voltage for the converter 30.
  • the associated third switch 43 is open. However, the other switches 42 are all closed, so that the respective voltages for the branches 32, 34, 36 of the converter 30 between two switching means 18 via the rectified voltage curves fed out by the additional coils 38 are brought together (after the closed additional switch 42) and fed to the input of the consumer, in particular the electrolyzer 40.
  • the rectifier 16 and the converter 30 are therefore connected in series.
  • the rectifier 16 functions as an AC/DC converter in boost converter mode.
  • the converter 30 functions as a DC/DC converter.
  • the additional coils 38 have a smoothing effect and prevent the formation of circulating currents.
  • the coils 14 before the AC/DC side (of the rectifier 16) and after the DC/DC side (of the converter 30) are preferably constructed identically.
  • Figure 6 shows the switch positions in single-stage operation 21.
  • the first switches 41 are closed.
  • the other switches 42 are open.
  • the third switch 43 is closed.
  • the arrows symbolize the corresponding current flows.
  • the phases are each fed in parallel to the rectifier 16 via the coils 14.
  • the phases of the power source 12 are also fed to the converter 30 via the further coils 38 and, after AC/DC conversion (by appropriately controlling the switching means 18 in the respective B6 bridges at the appropriate times), they equally feed the intermediate circuit 26.
  • the positive intermediate circuit potential is fed to the input of the consumer, in particular the electrolyzer 40, via the third switch 43.
  • the reference potential of the intermediate circuit 26 is fed to the further input of the electrolyzer 40. If the coils 14 and the other coils 38 are the same size, the boost converter coils are also identical.
  • the rectifier 16 and the converter 30 are used equally in each of the operating modes (single-stage operation, two-stage operation). Assuming a current carrying capacity of 50% of the maximum current of the two bridge circuits 16, 30, 50% of the maximum current can be served in the case of the two-stage configuration, i.e. the lower half of the power spectrum, while in single-stage operation 100% of the maximum current can be served by adding the individual currents.
  • the embodiment according to Figure 7 is characterized by a common output coil 46.
  • This common output coil 46 is connected between the common potential of the further switches 42 and the third switch 43 and the input of the consumer, in particular electrolyzer 40, and serves to smooth the output current.
  • Figure 8 shows an example limit characteristic curve for two-stage operation 23.
  • the permitted voltage range U (voltage drop at the consumer or electrolyzer 40) is shown as a function of the current I at the consumer or electrolyzer 40.
  • the permitted range 63 in two-stage operation 23 is essentially characterized by two conditions: firstly, the voltage U must be below the voltage limit Us, which is defined by the switching means 18 used or installed. In the exemplary embodiment, the voltage limit Us is 800 V.
  • the required power P must be below the power limit Pg2 of the power electronics in two-stage operation 23.
  • a power limit Pg2 of 1.5 MW was selected.
  • This power limit Pg2 depends on the respective topology and type of rectifier 16 or converter 30 used. For example, it is assumed that there are six parallel converters, each with an output of 250 kW per inverter. For example, in single-stage operation 21 12 inverters can be connected in parallel. In two-stage operation 23, two must be connected in series, 6 of them in parallel.
  • Figure 9 shows the permitted voltage range 61 for single-stage operation 21.
  • the permitted range is essentially characterized by three conditions: the voltage U must be below the voltage limit Us, which is defined by the switching means 18 used or installed.
  • the voltage limit Us is 800 V.
  • the voltage U must be above the rectified voltage Ug of the network or power source 12.
  • a maximum voltage Ug of approx. 620 V results, which is shown as an example in Figure 9.
  • the required power P must be below the power limit Pg1 of the power electronics in single-stage operation 21.
  • a power limit Pg1 of 3 MW was chosen as an example.
  • Figure 10 shows the relationship between the permissible ranges (switching range 60, permissible range 61 for single-stage operation 21, permissible range 63 for two-stage operation 23) and the impermissible range 62, as shown in Figures 8 and 9 for the different modes of operation.
  • the switching range 60 is understood to be the range where both permissible ranges 61, 63 of the single-stage and two-stage operation 21, 23 overlap, i.e. in which a change between the single-stage operation 21 and the two-stage operation 23 and vice versa is possible.
  • the two-stage operation 23 results in a permissible voltage range, which is represented by the permissible range 63 and the switching range 60 (as part of the permissible range 63 as shown in Figure 8) with, for example,
  • a permissible voltage range 61 results, which is described by the permissible range 61 and the switching range 60 (as part of the permissible range 61 as shown in Figure 9) with, for example, Ug (620 V) ⁇ U ⁇ Us (800 V) AND P ⁇ Pg1 (3 MW).
  • the switching range 60 satisfies the following conditions, for example:
  • the prohibited range 62 satisfies the following conditions, for example:
  • the characteristic curve 66 must pass through the switching area 60 in order to enable switching between the two operations 21, 23 the characteristic curve 66 must never pass through the prohibited area 62.
  • Figure 11 shows a critical design of the stage change concept for a specific consumer, in particular electrolyzer 40.
  • a problematic characteristic curve 68 at 50 °C and a problematic associated characteristic curve 69 at 70 °C are shown.
  • the problematic characteristic curve 69 clearly passes through the prohibited area 62 in a problematic area 72.
  • the problematic characteristic curve 68 also slightly touches the prohibited area 62.
  • countermeasures 74, 76, 78 are explained, which are shown in the form of arrows in Figure 11 and are intended to indicate how the characteristic curves 68, 69 can be brought out of the prohibited area 62 or how the prohibited area 62 can be shifted so that the characteristic curves 68, 69 are no longer in the prohibited area.
  • a possible countermeasure 74 could be an increase in the number of cells installed in the stack of the electrolyzer 40, which leads to a parallel shift of the characteristic curve 68, 69 upwards. For the same current I, a higher voltage U is achieved with a higher number of cells in the stack.
  • Another possible countermeasure 74 could consist in lowering the temperature T of the consumer, in particular the electrolyzer 40 or the stack temperature in the critical range, which also leads to a parallel shift of the characteristic curve 68, 69 upwards.
  • Another possible countermeasure 76 could be to increase the performance of the power electronics or switching means 18, which could lead to a parallel shift of the hyperbola and thus of the limit value Pg1, Pg2 or Pmax to the top right.
  • Another possible countermeasure 78 could be the use of a voltage converter or a transformer at the input with a modified winding ratio, which leads to a reduction of the phase voltage Up and thus of the rectified voltage Ug.
  • Another possible countermeasure could be the use of power electronics or switching devices 18 with higher dielectric strength, which leads to an increase in the limit value Us.
  • measures or individual measures 74, 76 and 78 may also be combined with one another.
  • circuit arrangement described is particularly suitable for the operation of an electrolyzer 40 or comparable systems that must be supplied with direct voltage from an alternating voltage network over a wide voltage range at high power levels.

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Abstract

The invention relates to a method for supplying a consumer, in particular an electrolyser (40), with a DC voltage, comprising: at least one rectifier (16) for converting an AC voltage provided by a power source (12) into a DC voltage; and at least one converter (30) which can be connected to the rectifier (16) via an intermediate circuit (26), wherein, in a single-stage operation (21), the converter (30) is operated in parallel with the rectifier (16) so that the converter (30) is used as a rectifier (30) in order to convert the AC voltage provided by the power source (12) into a DC voltage, or, in a two-stage operation (23), the converter (30) is operated as a DC-DC converter (30) connected downstream of the rectifier (16) in order to supply the consumer, in particular the electrolyser (40), with a voltage (U), wherein a characteristic curve (66) of the consumer (40) passes through a switching range (60) in which a transition between the single-stage operation (21) and the two-stage operation (23) is possible.

Description

Beschreibung Description
Titel Title
Verfahren zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere eines Elektrolyseurs, mit einer Gleichspannung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Method for supplying a consumer, in particular an electrolyzer, with a direct voltage and a device for carrying out the method
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere eines Elektrolyseurs, mit einer Gleichspannung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. The invention relates to a method for supplying a consumer, in particular an electrolyzer, with a direct voltage and a device for carrying out the method according to the preamble of the independent claims.
Stand der Technik State of the art
Aus der EP 3752665 B1 sind eine Schaltungsanordnung, ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung sowie eine Elektrolyseeinrichtung bekannt. Zur Gleichstromversorgung mehrerer parallel geschalteter Elektrolyseure umfasst die Schaltungsanordnung einen Gleichrichter, welcher eine eingangsseitige Wechselspannung in eine ausgangsseitige erste Gleichspannung wandelt, wobei jeder Elektrolyseur jeweils über einen die erste Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung wandelnden Abwärtswandler derart parallel zum Ausgang des Gleichrichters geschaltet ist, dass die zweite Gleichspannung über dem Elektrolyseur abfällt, wobei jeder der Abwärtswandler zur Anpassung einer Höhe seiner zweiten Gleichspannung steuerbar und/oder regelbar ausgebildet ist. Die Schaltungsanordnung umfasst mehrere Schalter, wobei jeder Abwärtswandler durch jeweils einen Schalter überbrückbar ist. A circuit arrangement, a method for operating a circuit arrangement and an electrolysis device are known from EP 3752665 B1. To supply direct current to several electrolyzers connected in parallel, the circuit arrangement comprises a rectifier which converts an input-side alternating voltage into a first output-side direct voltage, with each electrolyzer being connected in parallel to the output of the rectifier via a step-down converter which converts the first direct voltage into a second direct voltage in such a way that the second direct voltage drops across the electrolyzer, with each of the step-down converters being designed to be controllable and/or adjustable to adjust the level of its second direct voltage. The circuit arrangement comprises several switches, with each step-down converter being bridgeable by a switch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen sicheren Betrieb des Verbrauchers zu gewährleisten, in dem zuverlässig sowohl ein einstufiger Betrieb wie auch ein zweistufiger Betrieb erreicht werden kann. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. The invention is based on the object of ensuring safe operation of the consumer in which both single-stage operation and two-stage operation can be reliably achieved. This object is achieved by the features of the independent claims.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Ausnutzung von Wechselrichter und Wandler sowie der gehörigen Schaltmittel gleichmäßiger möglich ist. Der Wandler wird im einstufigen Betrieb parallel verschaltet mit dem Gleichrichter betrieben, während im zweistufigen Betrieb der Wandler sequenziell nach dem Gleichrichter hintereinander geschaltet betrieben wird. Für die Annahme der Gleichrichter bzw. Wandler mit einer Stromtragfähigkeit von 50 % des Maximalstroms kann im Falle der zweistufigen Konfiguration 50 % des Maximalstroms bedient werden, eignet sich also insbesondere für die untere Hälfte des Leistungsspektrums, während im einstufigen Betrieb durch die Addition der Einzelströme 100 % des Maximalstroms bedient werden können. Somit können gleichermaßen untere Spannungen wie auch bei hohen Spannungen hohe Leistungen aufgrund eines hohen Maximalstroms erreicht werden. Erfindungsgemäß wird hierbei die Kennlinie des Verbrauchers, insbesondere des Elektrolyseurs, so gewählt, dass diese durch einen Umschaltbereich verläuft, wobei in dem Umschaltbereich ein Wechsel von dem einstufigen Betrieb in den zweistufigen Betrieb und umgekehrt möglich ist. Damit lassen sich in besonders einfacher Art und Weise entsprechende Auslegungsregeln insbesondere für Spannung und Strom für die Kombination aus Verbraucher und Leistungselektronik (Gleichrichter und Wandler mit zugehörigen Schaltmitteln etc.) beschreiben. Ein sicherer Betrieb, der beide Betriebsfälle abdeckt, wird zuverlässig erreicht. Erfindungsgemäß ist eine Kennlinie des Verbrauchers so gewählt, dass sie einen Umschaltbereich durchläuft, in dem ein Wechsel zwischen dem einstufigen Betrieb und dem zweistufigen Betrieb möglich ist. Damit lassen sich besonders einfach entsprechende Auslegungsregeln für Spannung und Strom für die Kombination aus dem jeweiligen Verbraucher, insbesondere Elektrolyse-Stack, und Leistungselektronik beschreiben. Besonders bevorzugt ist dabei die Kennlinie des Verbrauchers so zu wählen, dass sie nicht in einen Bereich gelangt, in dem kein Wechsel zwischen dem einstufigen Betrieb und dem zweistufigen Betrieb möglich ist. Dann lassen sich die oben genannten Vorteile erreichen. The method according to the features of independent claim 1 has the advantage that the use of inverter and converter and the associated switching means is possible more evenly. In single-stage operation, the converter is operated in parallel with the rectifier, while in two-stage operation the converter is operated sequentially after the rectifier. For the assumption of rectifiers or converters with a current carrying capacity of 50% of the maximum current, 50% of the maximum current can be operated in the case of the two-stage configuration, and is therefore particularly suitable for the lower half of the power spectrum, while in single-stage operation 100% of the maximum current can be operated by adding the individual currents. In this way, low voltages can be achieved equally as well as high powers at high voltages due to a high maximum current. According to the invention, the characteristic curve of the consumer, in particular the electrolyzer, is selected so that it runs through a switching range, wherein a change from single-stage operation to two-stage operation and vice versa is possible in the switching range. This makes it particularly easy to describe corresponding design rules, particularly for voltage and current, for the combination of consumer and power electronics (rectifier and converter with associated switching means, etc.). Safe operation that covers both operating cases is reliably achieved. According to the invention, a characteristic curve of the consumer is selected such that it runs through a switching range in which a change between single-stage operation and two-stage operation is possible. This makes it particularly easy to describe corresponding design rules for voltage and current for the combination of the respective consumer, in particular electrolysis stack, and power electronics. It is particularly preferred to select the characteristic curve of the consumer such that it does not enter a range in which a change between single-stage operation and two-stage operation is not possible. The advantages mentioned above can then be achieved.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Umschaltbereich von zumindest einem Spannungsgrenzwert, insbesondere in Abhängigkeit von einer Phasenspannung der Leistungsquelle, und/oder insbesondere in Abhängigkeit einer maximalen Spannung, für die der Gleichrichter und/oder der Gleichspannungswandler bzw. deren Schaltmittel ausgelegt ist, abhängt. Damit lässt sich einfach eine Parametrisierung in Abhängigkeit von der jeweils verwendeten Leistungsquelle und/oder der jeweils verwendeten Leistungselektronik vornehmen. Besonders bevorzugt hängt der Umschaltbereich hierbei von zumindest einem Leistungsgrenzwert ab. In an expedient development, it is provided that the switching range depends on at least one voltage limit value, in particular depending on a phase voltage of the power source, and/or in particular depending on a maximum voltage for which the rectifier and/or the DC-DC converter or their switching means is designed. This makes it easy to parameterize depending on the respective voltage used. power source and/or the power electronics used. The switching range particularly preferably depends on at least one power limit value.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Umschaltbereich so gewählt ist, dass eine Spannung am Verbraucher sowohl zwischen einem oberen Spannungsgrenzwert und einem unteren Spannungsgrenzwert liegt als auch dass eine Leistung am Verbraucher unterhalb eines Leistungsgrenzwerts liegt. Über diese Parameter wird zuverlässig ein Wechsel zwischen den beiden Betrieben möglich. In a practical further development, the switching range is selected so that a voltage at the consumer lies between an upper voltage limit and a lower voltage limit and that a power at the consumer lies below a power limit. These parameters make it possible to reliably switch between the two modes.
Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung. Further useful developments arise from further dependent claims and from the description.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Short description of the drawing
Es zeigen: They show:
Figur 1 die Zellspannung in Abhängigkeit von Zellstromdichte und Temperatur, Figure 1 shows the cell voltage as a function of cell current density and temperature,
Figur 2 die Spannung des Elektrolyseurs in Abhängigkeit von Strom und Temperatur, Figure 2 the voltage of the electrolyzer as a function of current and temperature,
Figur 3 ein Prinzipschaltbild der Schaltungsanordnung, Figure 3 is a schematic diagram of the circuit arrangement,
Figur 4 eine konkrete Schaltungsanordnung des in Figur 3 gezeigten Prinzips, Figure 4 shows a concrete circuit arrangement of the principle shown in Figure 3,
Figur 5 die Schaltungsanordnung gemäß Figur 4 in einem zweistufigen Betrieb, Figure 5 shows the circuit arrangement according to Figure 4 in a two-stage operation,
Figur 6 die Schaltungsanordnung gemäß Figur 4 in einem einstufigen Betrieb, bei dem der Wandler als Gleichrichter, der parallel zu dem Gleichrichter geschaltet ist, betrieben wird, Figur 7 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung mit gemeinsamer Ausgangsspule, Figure 6 shows the circuit arrangement according to Figure 4 in a single-stage operation in which the converter is operated as a rectifier connected in parallel to the rectifier, Figure 7 shows an alternative embodiment of a circuit arrangement with a common output coil,
Figur 8 eine beispielhafte Grenzkennlinie beim zweistufigen Betrieb, Figure 8 shows an example limit characteristic curve for two-stage operation,
Figur 9 eine beispielhafte Grenzkennlinie beim einstufigen Betrieb, Figure 9 shows an example limit characteristic curve for single-stage operation,
Figur 10 der Zusammenhang zwischen der Spannungskennlinie eines Verbrauchers, insbesondere Elektrolyseur, und der Kennlinie beim Wechselkonzept der Betriebsstufen, sowie Figure 10 the relationship between the voltage characteristic of a consumer, in particular electrolyzer, and the characteristic of the alternating concept of the operating stages, as well as
Figur 11 eine Darstellung einer unpassenden Abstimmung der Kennlinien mit möglichen Abhilfemaßnahmen. Figure 11 shows an illustration of an inappropriate matching of the characteristic curves with possible remedial measures.
Ausführungsform der Erfindung Embodiment of the invention
Die Erfindung ist anhand mehrerer Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben. The invention is illustrated schematically using several embodiments and is described in detail below with reference to the drawing.
Figur 1 zeigt die Abhängigkeit der Zellspannung Uz einer Zelle eines möglichen Verbrauchers, insbesondere eines Elektrolyseurs 40, in Abhängigkeit von der Stromdichte j und der Temperatur T. Ein Elektrolyseur 40 dient bei einer Elektrolyse von Wasser der Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff unter Verwendung von elektrischem Strom. Der Elektrolyseur 40 wird durch eine Vielzahl von hintereinander verschalteten Einzelzellen, die jeweils eine Zellspannung Uz aufweisen, gebildet. Prinzipiell steigt die Zellspannung Uz mit der Zellstromdichte j und mit sinkender Temperatur T an. In der Realität hängt die Zellspannung Uz von dem Alterungszustand ab. Mit steigendem Alter steigt auch die Zellspannung Uz. Dieser Zusammenhang ist jedoch in Figur 1 nicht dargestellt. Figure 1 shows the dependence of the cell voltage Uz of a cell of a possible consumer, in particular an electrolyzer 40, on the current density j and the temperature T. An electrolyzer 40 is used in the electrolysis of water to produce hydrogen and oxygen using electrical current. The electrolyzer 40 is formed by a large number of individual cells connected in series, each of which has a cell voltage Uz. In principle, the cell voltage Uz increases with the cell current density j and with decreasing temperature T. In reality, the cell voltage Uz depends on the state of aging. With increasing age, the cell voltage Uz also increases. However, this relationship is not shown in Figure 1.
Figur 2 zeigt die Spannung U des Verbrauchers, insbesondere des Elektrolyseurs 40, in Abhängigkeit von Strom I und Temperatur T. Die Abhängigkeit von Strom I, Temperatur T und Alterungszustand bleibt beim Übergang von der Zelle auf den Elektrolyseur 40 erhalten. Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Zusammenhänge führen vor Augen, dass gerade bei unteren Spannungen U insbesondere bei bestimmten Wechselrichtertypen besondere Anstrengungen nötig sind, diese niedrigen Spannungen U dem Verbraucher, insbesondere Elektrolyseur 40 zur Verfügung zu stellen. Beispielhaft ist eine gestrichelte Linie eingezeichnet, die angibt, dass bei insbesondere niedrigen Strömen (beispielsweise kleiner als zwischen 375 und 400 A) ein zweistufiger Betrieb 23, bei größeren Strömen ein einstufiger Betrieb 21 für eine ausreichende Versorgung des Verbrauchers, insbesondere Elektrolyseurs 40 zweckmäßig ist. Figure 2 shows the voltage U of the consumer, in particular the electrolyzer 40, as a function of current I and temperature T. The dependence of current I, temperature T and aging state remains the same when moving from the cell to the electrolyzer 40. The relationships shown in Figures 1 and 2 show that, especially at low voltages U, particularly with certain types of inverters, special efforts are necessary to make these low voltages U available to the consumer, in particular the electrolyzer 40. As an example, a dashed line is drawn which indicates that, in particular at low currents (for example less than between 375 and 400 A), a two-stage operation 23 is expedient, and at higher currents a single-stage operation 21 is expedient for an adequate supply of the consumer, in particular the electrolyzer 40.
Für Verbraucher, insbesondere Elektrolyseure 40, werden leistungsstarke Stromquellen bzw. Leistungsquellen 12 wie beispielsweise üblicherweise ein Netzanschluss benötigt. Zur Wandlung der Wechselspannung in eine für den Verbraucher, insbesondere Elektrolyseur 40, geeignete Gleichspannung U werden Gleichrichter verwendet. Wird als Brückenschaltung eine aktive Brückenschaltung, insbesondere eine aktive B6-Brücke, verwendet, ergibt sich eine untere Spannungsgrenze, die nicht unterschritten werden kann. Bei klassischen 400 V Phasenspannungen liegt diese untere Spannungsgrenze im Bereich von ca. 600 V. Mit Blick auf Figur 2 wird ersichtlich, dass zweistufige Gleichrichterkonzepte verwendet werden müssen unter Verwendung eines weiteren Abwärtswandlers. For consumers, in particular electrolyzers 40, powerful current sources or power sources 12, such as a mains connection, are usually required. Rectifiers are used to convert the alternating voltage into a direct voltage U suitable for the consumer, in particular electrolyzer 40. If an active bridge circuit, in particular an active B6 bridge, is used as the bridge circuit, this results in a lower voltage limit that cannot be undercut. For classic 400 V phase voltages, this lower voltage limit is in the range of approximately 600 V. Looking at Figure 2, it is clear that two-stage rectifier concepts must be used using an additional step-down converter.
Figur 3 zeigt schematisch den Aufbau der Schaltungsanordnungen wie in den Figuren 4-7 näher spezifiziert. Die obere Anordnung ist für einen 2-stufigen Betrieb 23 vorgesehen. Über Spulen 14, die einen Hochsetzstellerbetrieb ermöglichen, wird ein Gleichrichter 16 von einer einen Wechselstrom zur Verfügung stellenden Leistungsquelle 12 wie ein Netzanschluss versorgt. Die von dem Gleichrichter 16 gleichgerichtete Wechselspannung gelangt über einen Zwischenkreis 26 an einen Wandler 30, der im zweistufigen Betrieb 23 als Gleichspannungswandler betrieben wird. Über die weiteren Spulen 38 sowie eine gemeinsame Ausgangsspule 46 wird der Verbraucher, insbesondere Elektrolyseur 40, mit Gleichspannung versorgt. Die untere Anordnung ist für einen einstufigen Betrieb 21 vorgesehen. Der Wandler 30 wird nun über die weiteren Spulen 38 als Gleichrichter 30, parallel zu dem Gleichrichter 16 verschaltet betrieben. Anschließend gelangt die Gleichspannung über den Zwischenkreis 26 und die gemeinsame Ausgangsspu- le 46 an den Verbraucher, insbesondere Elektrolyseur 40, zu dessen Versorgung. Figure 3 shows a schematic of the structure of the circuit arrangements as specified in more detail in Figures 4-7. The upper arrangement is intended for a 2-stage operation 23. A rectifier 16 is supplied by a power source 12 providing alternating current via coils 14, which enable boost converter operation, like a mains connection. The alternating voltage rectified by the rectifier 16 is fed via an intermediate circuit 26 to a converter 30, which is operated as a direct current converter in two-stage operation 23. The consumer, in particular electrolyzer 40, is supplied with direct current via the further coils 38 and a common output coil 46. The lower arrangement is intended for a single-stage operation 21. The converter 30 is now operated as a rectifier 30, connected in parallel to the rectifier 16, via the further coils 38. The direct current then passes via the intermediate circuit 26 and the common output coil 46. le 46 to the consumer, in particular electrolyser 40, for its supply.
In Figur 4 ist die schaltungstechnische Realisierung des Konzepts nach Figur 3 beispielhaft gezeigt. Die Leistungsquelle 12 ist schematisch als dreiphasiger Netzanschluss ausgebildet. Der Schaltungsanordnung zur Versorgung des Elektrolyseurs 40 umfasst zumindest einen als Brückenschaltung ausgebildeten Gleichrichter 16, der über einen Zwischenkreis 26 mit einem Wandler 30, der ebenfalls als Brückenschaltung ausgeführt ist, verbunden ist. Der Wandler 30 dient erforderlichenfalls als Abwärtswandler, um die niedrigeren Spannungen U zu erschließen. Der Gleichrichter 16 dient als Stromrichter und umfasst beispielhaft drei parallel zueinander verschaltete Gleichrichterzweige 20, 22, 24. In jedem der Gleichrichterzweige 20, 22, 24 sind jeweils zwei Schalter 18 in Reihe zueinander angeordnet. Der Figur 4 sind beispielhaft als Schalter 18 Halbleiterschalter wie IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) verwendet, genauso gut können jedoch weitere steuerbare Leistungshalbleiter wie Mosfets beispielsweise aus SiC, GaN etc. verwendet werden. Jeweils zwischen den beiden Schaltern 18 eines Gleichrichterzweigs 20, 22, 24 sind jeweils die einzelnen Phasen der Leistungsquelle 12 elektrisch leitend über jeweils eine Spule 14 kontaktiert. Der Gleichrichter 16 ist somit als aktive B6-Brücke aufgebaut. Die beiden Ausgänge des Gleichrichters 16 sind mit dem Zwischenkreis 26 verbunden. Der Gleichrichter 16 wandelt also die Wechselspannung der Leistungsquelle 12 in eine Gleichspannung, mit der der Zwischenkreis 26 gespeist wird. Ein Zwischenkreiskondensator 28 ist mit den beiden Ausgängen des Gleichrichters 16 im Zwischenkreis 26 verbunden. Bei dem Zwischenkreis 26 in diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich somit um einen Gleichspannungszwischenkreis. Figure 4 shows an example of the circuit implementation of the concept according to Figure 3. The power source 12 is schematically designed as a three-phase mains connection. The circuit arrangement for supplying the electrolyzer 40 comprises at least one rectifier 16 designed as a bridge circuit, which is connected via an intermediate circuit 26 to a converter 30, which is also designed as a bridge circuit. The converter 30 serves as a step-down converter if necessary in order to access the lower voltages U. The rectifier 16 serves as a power converter and comprises, for example, three rectifier branches 20, 22, 24 connected in parallel. In each of the rectifier branches 20, 22, 24, two switches 18 are arranged in series with one another. In Figure 4, semiconductor switches such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) are used as switches 18, but other controllable power semiconductors such as MOSFETs made of SiC, GaN, etc., for example, can just as well be used. Between the two switches 18 of a rectifier branch 20, 22, 24, the individual phases of the power source 12 are each electrically connected via a coil 14. The rectifier 16 is thus constructed as an active B6 bridge. The two outputs of the rectifier 16 are connected to the intermediate circuit 26. The rectifier 16 therefore converts the alternating voltage of the power source 12 into a direct voltage, which is used to feed the intermediate circuit 26. An intermediate circuit capacitor 28 is connected to the two outputs of the rectifier 16 in the intermediate circuit 26. The intermediate circuit 26 in this embodiment is therefore a direct voltage intermediate circuit.
Es ist ein weiterer Wandler 30 vorgesehen, der beispielhaft wiederum drei parallele Zweige 32, 34, 36 umfasst. In jedem der parallelen Zweige 32, 34, 36 sind jeweils zwei Schalter 18 in Reihe zueinander angeordnet. Die jeweils gemeinsamen Potenziale der Zweige 32, 34, 36 sind wiederum mit dem Zwischenkreis 26 verbunden. Ebenfalls wie der Gleichrichter 16 ist auch der Wandler 30 mit der Leistungsquelle 12 verbindbar. Hierzu wird jeweils zwischen den beiden Schaltern 18 eines Zweigs 32, 34, 36 eine elektrisch leitende Kontaktierung mit den jeweiligen Phasen der Leistungsquelle 12 vorgenommen, die jeweils über ent- sprechende weitere Spulen 38 und jeweils über einen ersten Schalter 41 geführt wird. Die drei jeweils über den ersten Schalter 41 geführte Phasen werden einerseits über die jeweiligen weiteren Spulen 38 dem Wandler 30 zugeführt, andererseits an einem Verzweigungspunkt über für jede Phase vorgesehene weitere Schalter 42 geführt und nach dem weiteren Schalter auf dasselbe Potenzial gelegt zusammengeführt zur weiteren Kontaktierung des Eingangs des Elektrolyseurs 40. Über ein drittes Schaltmittel 43 wird das zwischen Gleichrichter 16 und Wandler 30 liegende gemeinsame (obere) Potenzial des Zwischenkreises 26 an den Eingang des Elektrolyseurs 40 geführt. Der weitere Eingang des Elektrolyseurs 40 liegt auf demselben (unteren) Potenzial wie das Bezugspotenzial des Zwischenkreises 26 bzw. der beiden ebenfalls mit dem weiteren Eingang des Elektrolyseurs 40 verbundenen Brückenschaltungen 16, 30. A further converter 30 is provided, which in turn comprises three parallel branches 32, 34, 36. In each of the parallel branches 32, 34, 36, two switches 18 are arranged in series. The common potentials of the branches 32, 34, 36 are in turn connected to the intermediate circuit 26. Like the rectifier 16, the converter 30 can also be connected to the power source 12. For this purpose, an electrically conductive contact is made between the two switches 18 of a branch 32, 34, 36 with the respective phases of the power source 12, which are each connected via corresponding corresponding further coils 38 and each via a first switch 41. The three phases each routed via the first switch 41 are on the one hand fed to the converter 30 via the respective further coils 38, on the other hand routed at a branching point via further switches 42 provided for each phase and brought together after the further switch at the same potential for further contacting of the input of the electrolyzer 40. The common (upper) potential of the intermediate circuit 26 lying between the rectifier 16 and the converter 30 is routed to the input of the electrolyzer 40 via a third switching means 43. The further input of the electrolyzer 40 is at the same (lower) potential as the reference potential of the intermediate circuit 26 or of the two bridge circuits 16, 30 also connected to the further input of the electrolyzer 40.
Die Schalter 41 , 42,43 sind Bestandteile einer Schaltereinheit, die den wahlweisen Betrieb des Wandlers 30 als Gleichrichter bzw. AC/DC-Wandler, insbesondere parallel geschaltet zu dem Gleichrichter 16, der ebenfalls als Aufwärtswandler bzw. AC/DC-Wandler fungiert, und als Gleichspannungswandler DC/DC, insbesondere als Abwärtswandler ermöglichen. Die Schaltereinheit ermöglicht sowohl einen einstufigen Betrieb 21 (Parallelschaltung der beiden Brückenschaltungen 16, 30 und Betrieb als Gleichrichter bzw. AC/DC-Wandler) wie auch einen zweistufigen Betrieb 23 (der Wandler 30 bildet die weitere Stufe und fungiert als Gleichspannungswandler bzw. DC/DC-Wandler, insbesondere Abwärtswandler, sequenziell angekoppelt an den Zwischenkreis 26). Die unterschiedlichen Betriebsarten mit den zugehörigen Stellungen der Schalter 41 , 42, 43 der Schaltereinheit sind in den nachfolgenden Figuren 5 und 6 gezeigt. The switches 41, 42, 43 are components of a switch unit which enable the converter 30 to be operated optionally as a rectifier or AC/DC converter, in particular connected in parallel to the rectifier 16, which also functions as a step-up converter or AC/DC converter, and as a DC/DC converter, in particular as a step-down converter. The switch unit enables both a single-stage operation 21 (parallel connection of the two bridge circuits 16, 30 and operation as a rectifier or AC/DC converter) and a two-stage operation 23 (the converter 30 forms the further stage and functions as a DC/DC converter or DC/DC converter, in particular a step-down converter, sequentially coupled to the intermediate circuit 26). The different operating modes with the associated positions of the switches 41, 42, 43 of the switch unit are shown in the following Figures 5 and 6.
Figur 5 zeigt die Schalterstellungen im zweistufigen Betrieb 23. Die ersten Schalter 41 sind hierbei geöffnet. Es erfolgt also nun keine Einspeisung bzw. Versorgung des Wandlers 30 durch die Leistungsquelle 12 über die weiteren Spulen 38. Ebenfalls besteht nun keine leitende Verbindung zwischen dem Zwischenkreis 26 und dem ersten Eingang des Verbrauchers, insbesondere Elektrolyseurs 40. Die Ausgangsspannung (Gleichspannung) des Gleichrichters 16 dient dem Wandler 30 als Eingangsspannung. Der zugehörige dritte Schalter 43 ist geöffnet. Jedoch sind die weiteren Schalter 42 alle geschlossen, so dass die jeweils für die Zweige 32, 34, 36 des Wandlers 30 zwischen zwei Schaltmitteln 18 über die weiteren Spulen 38 herausgeführten gleichgerichteten Spannungsverläufe zusammengeführt werden (nach dem geschlossenen weiteren Schalter 42) und dem Eingang des Verbrauchers, insbesondere Elektrolyseurs 40, zugeführt werden. Der Gleichrichter 16 und der Wandler 30 sind also hintereinander geschaltet. Der Gleichrichter 16 fungiert als AC/DC-Wandler im Hochsetzstellerbetrieb. Der Wandler 30 fungiert als DC/DC-Wandler. Im DC/DC-Wandler-Betrieb wirken die weiteren Spulen 38 glättend und verhindern die Ausbildung von Kreisströmen. Vorzugsweise sind die Spulen 14 vor der AC/DC-Seite (des Gleichrichters 16) und nach der DC/DC-Seite (des Wandlers 30) identisch aufgebaut. Figure 5 shows the switch positions in two-stage operation 23. The first switches 41 are open. There is therefore no feeding or supply of the converter 30 by the power source 12 via the other coils 38. There is also no conductive connection between the intermediate circuit 26 and the first input of the consumer, in particular the electrolyzer 40. The output voltage (DC voltage) of the rectifier 16 serves as the input voltage for the converter 30. The associated third switch 43 is open. However, the other switches 42 are all closed, so that the respective voltages for the branches 32, 34, 36 of the converter 30 between two switching means 18 via the rectified voltage curves fed out by the additional coils 38 are brought together (after the closed additional switch 42) and fed to the input of the consumer, in particular the electrolyzer 40. The rectifier 16 and the converter 30 are therefore connected in series. The rectifier 16 functions as an AC/DC converter in boost converter mode. The converter 30 functions as a DC/DC converter. In DC/DC converter mode, the additional coils 38 have a smoothing effect and prevent the formation of circulating currents. The coils 14 before the AC/DC side (of the rectifier 16) and after the DC/DC side (of the converter 30) are preferably constructed identically.
Figur 6 zeigt die Schalterstellungen im einstufigen Betrieb 21. Die ersten Schalter 41 sind geschlossen. Die weiteren Schalter 42 sind geöffnet. Der dritte Schalter 43 ist geschlossen. Die Pfeile symbolisieren die entsprechenden Stromflüsse.Figure 6 shows the switch positions in single-stage operation 21. The first switches 41 are closed. The other switches 42 are open. The third switch 43 is closed. The arrows symbolize the corresponding current flows.
Die Phasen gelangen parallel jeweils über die Spulen 14 an den Gleichrichter 16. Ebenfalls werden die Phasen der Leistungsquelle 12 über die weiteren Spulen 38 dem Wandler 30 zugeführt und speisen nach AC/DC-Wandlung (durch entsprechende Ansteuerung der Schaltmittel 18 bei den jeweiligen B6-Brücken zu den geeigneten Zeitpunkten) gleichermaßen den Zwischenkreis 26. Das positive Zwischenkreispotential gelangt über den dritten Schalter 43 an den Eingang des Verbrauchers, insbesondere Elektrolyseurs 40. Das Bezugspotenzial des Zwischenkreises 26 gelangt an den weiteren Eingang des Elektrolyseurs 40. Bei gleicher Dimensionierung der Spulen 14 wie der weiteren Spulen 38 sind auch die Hochsetzstellerspulen identisch. The phases are each fed in parallel to the rectifier 16 via the coils 14. The phases of the power source 12 are also fed to the converter 30 via the further coils 38 and, after AC/DC conversion (by appropriately controlling the switching means 18 in the respective B6 bridges at the appropriate times), they equally feed the intermediate circuit 26. The positive intermediate circuit potential is fed to the input of the consumer, in particular the electrolyzer 40, via the third switch 43. The reference potential of the intermediate circuit 26 is fed to the further input of the electrolyzer 40. If the coils 14 and the other coils 38 are the same size, the boost converter coils are also identical.
Anders als beim Stand der Technik werden der Gleichrichter 16 und der Wandler 30 in jeder der Betriebsarten (einstufiger Betrieb, zweistufiger Betrieb) gleichermaßen verwendet. Für die Annahme von einer Stromtragfähigkeit von 50 % des Maximalstroms der beiden Brückenschaltungen 16, 30 kann im Fall der zweistufigen Konfiguration 50 % des Maximalstroms bedient werden, also die untere Hälfte des Leistungsspektrums, während im einstufigen Betrieb durch die Addition der Einzelströme 100 % des Maximalstroms bedient werden können. Unlike the prior art, the rectifier 16 and the converter 30 are used equally in each of the operating modes (single-stage operation, two-stage operation). Assuming a current carrying capacity of 50% of the maximum current of the two bridge circuits 16, 30, 50% of the maximum current can be served in the case of the two-stage configuration, i.e. the lower half of the power spectrum, while in single-stage operation 100% of the maximum current can be served by adding the individual currents.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 zeichnet sich durch eine gemeinsame Ausgangsspule 46 aus. Diese gemeinsame Ausgangsspule 46 ist zwischen dem gemeinsamen Potenzial der weiteren Schalter 42 und des dritten Schalters 43 und dem Eingang des Verbrauchers, insbesondere Elektrolyseurs 40, angeordnet und dient der Glättung des Ausgangsstroms. The embodiment according to Figure 7 is characterized by a common output coil 46. This common output coil 46 is connected between the common potential of the further switches 42 and the third switch 43 and the input of the consumer, in particular electrolyzer 40, and serves to smooth the output current.
Figur 8 zeigt eine beispielhafte Grenzkennlinie beim zweistufigen Betrieb 23. In einem U-I-Diagramm ist der erlaubte Spannungsbereich U (Spannungsabfall am Verbraucher bzw. Elektrolyseur 40) in Abhängigkeit vom Strom I am Verbraucher bzw. Elektrolyseur 40 dargestellt. Der erlaubte Bereich 63 im zweistufigen Betrieb 23 wird im Wesentlichen durch zwei Bedingungen charakterisiert: die Spannung U muss sich zum einen unterhalb der Spannungsgrenze Us bewegen, die durch die verwendeten bzw. verbauten Schaltmittel 18 definiert wird. Im Ausführungsbeispiel liegt die Spannungsgrenze Us beispielhaft bei 800 V. Figure 8 shows an example limit characteristic curve for two-stage operation 23. In a U-I diagram, the permitted voltage range U (voltage drop at the consumer or electrolyzer 40) is shown as a function of the current I at the consumer or electrolyzer 40. The permitted range 63 in two-stage operation 23 is essentially characterized by two conditions: firstly, the voltage U must be below the voltage limit Us, which is defined by the switching means 18 used or installed. In the exemplary embodiment, the voltage limit Us is 800 V.
Die geforderte Leistung P muss sich zum anderen unterhalb der Leistungsgrenze Pg2 der Leistungselektronik im zweistufigen Betrieb 23 bewegen. Diese Bedingung ergibt im Strom-Spannungsdiagramm gemäß Figur 8 eine Hyperbel, da gilt: P = U * I. Im vorliegenden Beispiel wurde beispielhaft eine Leistungsgrenze Pg2 von 1 ,5 MW gewählt. Diese Leistungsgrenze Pg2 hängt von der jeweiligen Topologie und Art der verwendeten Gleichrichters 16 bzw. Wandler 30 ab. Beispielhaft wird angenommen, dass es sich um sechs parallele Wandler handelt mit jeweils einer Leistung von 250 kW pro Inverter. Beispielhaft können im einstufigen Betrieb 21 12 Inverter parallel geschaltet werden. Im zweistufigen Betrieb 23 sind jeweils zwei in Wärter hintereinander zu schalten, davon 6 parallel. On the other hand, the required power P must be below the power limit Pg2 of the power electronics in two-stage operation 23. This condition results in a hyperbola in the current-voltage diagram according to Figure 8, where: P = U * I. In the present example, a power limit Pg2 of 1.5 MW was selected. This power limit Pg2 depends on the respective topology and type of rectifier 16 or converter 30 used. For example, it is assumed that there are six parallel converters, each with an output of 250 kW per inverter. For example, in single-stage operation 21 12 inverters can be connected in parallel. In two-stage operation 23, two must be connected in series, 6 of them in parallel.
Somit ergibt sich für den zweistufigen Betrieb 23 ein erlaubter Spannungsbereich 63, wenn beide der folgenden Bedingungen erfüllt sind: This results in a permissible voltage range 63 for two-stage operation 23 if both of the following conditions are met:
U < Us UND P <Pg2. U < Us AND P < Pg2.
Figur 9 zeigt den erlaubten Spannungsbereich 61 für den einstufigen Betrieb 21. Der erlaubte Bereich wird im Wesentlichen durch drei Bedingungen charakterisiert: die Spannung U muss sich unterhalb der Spannungsgrenze Us bewegen, die durch die verwendeten bzw. verbauten Schaltmittel 18 definiert wird. Im Ausführungsbeispiel liegt die Spannungsgrenze Us beispielhaft bei 800 V. die Spannung U muss sich oberhalb der gleichgerichteten Spannung Ug des Netzes bzw. Leistungsquelle 12 bewegen. Die gleichgerichtete Span- nung llg errechnet sich in Abhängigkeit von der Phasenspannung Up des Netzes bzw. Leistungsquelle 12 die die wie folgt: Ug = Up * Wurzel (2). Im vorliegenden Beispiel ergibt sich bei einer Phasenspannung von 400 V und einer Spannungsschwankung des Netzes 12 von +-10 % eine maximale Spannung von Ug von ca. 620 V, die beispielhaft in Figur 9 eingezeichnet ist. Figure 9 shows the permitted voltage range 61 for single-stage operation 21. The permitted range is essentially characterized by three conditions: the voltage U must be below the voltage limit Us, which is defined by the switching means 18 used or installed. In the exemplary embodiment, the voltage limit Us is 800 V. the voltage U must be above the rectified voltage Ug of the network or power source 12. The rectified voltage The voltage llg is calculated as a function of the phase voltage Up of the network or power source 12 as follows: Ug = Up * root (2). In the present example, with a phase voltage of 400 V and a voltage fluctuation of the network 12 of +-10%, a maximum voltage Ug of approx. 620 V results, which is shown as an example in Figure 9.
Die geforderte Leistung P muss sich unterhalb der Leistungsgrenze Pg1 der Leistungselektronik im einstufigen Betrieb 21 bewegen. In erster Näherung ist diese Leistungsgrenze Pg1 aufgrund der Parallelschaltung von Gleichrichter 16 und Wandler 30 im einstufigen Betrieb 21 doppelt so hoch als im zweistufigen Fall (2*Pg2). Diese Bedingung ergibt im Strom-Spannungs- Diagramm eine Hyperbel, da wiederum gilt: P = U * I. Im vorliegenden Diagramm wurde beispielhaft eine Leistungsgrenze Pg1 von 3 MW gewählt.The required power P must be below the power limit Pg1 of the power electronics in single-stage operation 21. As a first approximation, this power limit Pg1 is twice as high in single-stage operation 21 as in the two-stage case (2*Pg2) due to the parallel connection of rectifier 16 and converter 30. This condition results in a hyperbola in the current-voltage diagram, since again: P = U * I. In the present diagram, a power limit Pg1 of 3 MW was chosen as an example.
Somit ergibt sich für den zweistufigen Betrieb 23 ein erlaubter Spannungsbereich 61 , wenn beide der folgenden Bedingungen erfüllt sind: This results in a permissible voltage range 61 for the two-stage operation 23 if both of the following conditions are met:
Ug < U < Us UND P <Pg1. Ug < U < Us AND P <Pg1.
In Figur 10 ist der Zusammenhang der zulässigen Bereiche (Umschaltbereich 60, zulässiger Bereich 61 für den einstufigen Betrieb 21 , zulässiger Bereich 63 für den zweistufigen Betrieb 23) bzw. unzulässigen Bereich 62, wie in den Figuren 8 und 9 für die unterschiedlichen Betriebe gezeigt, zusammengestellt. Als Umschaltbereich 60 wird derjenige Bereich verstanden, wo sich beide zulässigen Bereiche 61 , 63 des einstufigen und des zweistufigen Betriebs 21 , 23 überdecken, in dem also ein Wechsel zwischen dem einstufigen Betrieb 21 und dem zweistufigen Betrieb 23 und umgekehrt möglich ist. Figure 10 shows the relationship between the permissible ranges (switching range 60, permissible range 61 for single-stage operation 21, permissible range 63 for two-stage operation 23) and the impermissible range 62, as shown in Figures 8 and 9 for the different modes of operation. The switching range 60 is understood to be the range where both permissible ranges 61, 63 of the single-stage and two-stage operation 21, 23 overlap, i.e. in which a change between the single-stage operation 21 and the two-stage operation 23 and vice versa is possible.
Im einzelnen ergibt sich für den zweistufigen Betrieb 23 ein erlaubter Spannungsbereich, der durch zulässigen Bereich 63 und den Umschaltbereich 60 (als Teil des zulässigen Bereichs 63 wie in Figur 8 gezeigt) dargestellt ist mit beispielhaft In detail, the two-stage operation 23 results in a permissible voltage range, which is represented by the permissible range 63 and the switching range 60 (as part of the permissible range 63 as shown in Figure 8) with, for example,
U < Us (800V) UND P < Pg2 (1 ,5 MW). U < Us (800V) AND P < Pg2 (1.5 MW).
Für den einstufigen Betrieb 21 ergibt sich ein erlaubter Spannungsbereich 61 , der durch den erlaubten Bereich 61 und den Umschaltbereich 60 (als Teil des zulässigen Bereichs 61 wie in Figur 9 gezeigt) beschrieben ist mit beispielhaft Ug (620 V) < U < Us (800 V) UND P < Pg1 (3 MW). For the single-stage operation 21, a permissible voltage range 61 results, which is described by the permissible range 61 and the switching range 60 (as part of the permissible range 61 as shown in Figure 9) with, for example, Ug (620 V) < U < Us (800 V) AND P < Pg1 (3 MW).
Es ergibt sich somit ein Strom-Spannungs-Bereich, der sowohl von dem einstufigen Betrieb 21 als auch von dem zweistufigen Betrieb 23 bedient werden kann und als Umschaltbereich 60 bezeichnet wird. Der Umschaltbereich 60 genügt beispielhaft folgenden Bedingungen: This results in a current-voltage range that can be used by both the single-stage operation 21 and the two-stage operation 23 and is referred to as the switching range 60. The switching range 60 satisfies the following conditions, for example:
Ug (620 V) < U < Us (800 V) UND P < Pg2 (1,5 MW). Ug (620 V) < U < Us (800 V) AND P < Pg2 (1.5 MW).
Es ergibt sich ferner ein Strom-Spannungs-Bereich, der weder von dem einstufigen Betrieb 21 noch von dem zweistufigen Betrieb 23 bedient werden kann. Dieser Bereich wird daher als verbotener Bereich 62 bezeichnet. Der verbotene Bereich genügt beispielhaft folgenden Bedingungen: There is also a current-voltage range that cannot be served by either the single-stage operation 21 or the two-stage operation 23. This range is therefore referred to as the prohibited range 62. The prohibited range satisfies the following conditions, for example:
U < Ug (620 V) UND P > Pg2 (1,5 MW). U < Ug (620 V) AND P > Pg2 (1.5 MW).
Um den Verbraucher, insbesondere Elektrolyseur 40, in Kombination mit dem Wechselkonzept zwischen dem einstufigen Betrieb 21 und dem zweistufigen Betrieb 23 betreiben zu können, müssen zwei Bedingungen für eine Wunschkennlinie 66 des Verbrauchers, insbesondere Elektrolyseurs 40, erfüllt werden: die Kennlinie 66 muss den Umschaltbereich 60 durchlaufen, um eine Umschaltung zwischen den beiden Betrieben 21 , 23 zu ermöglichen die Kennlinie 66 darf den verbotenen Bereich 62 nie durchlaufen. In order to be able to operate the consumer, in particular electrolyzer 40, in combination with the switching concept between single-stage operation 21 and two-stage operation 23, two conditions for a desired characteristic curve 66 of the consumer, in particular electrolyzer 40, must be met: the characteristic curve 66 must pass through the switching area 60 in order to enable switching between the two operations 21, 23 the characteristic curve 66 must never pass through the prohibited area 62.
Für die in Figur 10 eingezeichnete Wunschkennlinie 66 sind diese Bedingungen erfüllt. Außerdem ist ein spätester Umschaltpunkt 70 eingezeichnet, bei dem gerade noch ein Umschalten im Umschaltbereich 60 möglich ist, bevor der verbotene Bereich 62 erreicht wird. These conditions are fulfilled for the desired characteristic curve 66 shown in Figure 10. In addition, a latest switching point 70 is shown, at which switching is just possible in the switching range 60 before the forbidden range 62 is reached.
Beispielhaft sind für die Auslegung folgende Annahmen getroffen. Es handelt sich um sechs parallele Inverter (Anzahl der Inverter) mit einer Leistung von 250 kW pro Inverter bei einer maximalen Spannung U_max (bzw. Us) von 800 V. Ein Inverter repräsentiert dabei einen Wandler 30 bzw. Gleichrichter 16.. Für den zweistufigen Betrieb 23 ermittelt sich somit Pmax bzw. Pg2 = 6 * 250 kW = 1 ,5 MW. Für den einstufigen Betrieb 21 ermittelt sich die maximale Leistung bzw. Pg1 = 12 * 250 kW = 3 MW. Im einstufigen Betrieb sind Spannungen < 620 V (Ug als gleichgerichtete Phasenspannung des Netzes 12) nicht mehr erreichbar. Auch können Spannungen Us größer 800 V nicht erreicht werden. Auch kann die maximale Leistung Pmax von 3 MW nicht überschritten werden. Neben diesen Randbedingungen ist es wesentlich, dass die Kennlinie 66 des Verbrauchers, insbesondere Elektrolyseurs 40, so gewählt wird, dass die Kennlinie 66 den Umschaltbereich 60 durchläuft und gleichzeitig den verbotenen Bereich 62 nicht durchläuft. The following assumptions have been made for the design as an example. There are six parallel inverters (number of inverters) with an output of 250 kW per inverter at a maximum voltage U_max (or Us) of 800 V. One inverter represents a converter 30 or rectifier 16. For two-stage operation 23, Pmax or Pg2 = 6 * 250 kW = 1.5 MW is thus calculated. For single-stage operation 21, the maximum output or Pg1 = 12 * 250 kW = 3 MW is calculated. In single-stage operation, voltages < 620 V (Ug as rectified phase voltage of the network 12) are no longer achievable. Voltages Us greater than 800 V cannot be achieved. The maximum power Pmax of 3 MW cannot be exceeded either. In addition to these boundary conditions, it is essential that the characteristic curve 66 of the consumer, in particular the electrolyzer 40, is selected such that the characteristic curve 66 passes through the switching range 60 and at the same time does not pass through the prohibited range 62.
Figur 11 zeigt eine kritische Auslegung des Stufenwechselkonzepts für einen bestimmten Verbraucher, insbesondere Elektrolyseur 40. Eingezeichnet sind neben den Begrenzungslinien für den einstufigen Betrieb 21 und den zweistufigen Betrieb 23 eine problematische Kennlinie 68 bei 50 °C sowie eine problematische zugehörige Kennlinie 69 bei 70 °C (Temperatur des Verbrauchers bzw. Elektrolyseurs 40). Die problematische Kennlinie 69 durchläuft in einem problematischen Bereich 72 den verbotenen Bereich 62 deutlich. Auch die problematische Kennlinie 68 touchiert den verbotenen Bereich 62 leicht. Figure 11 shows a critical design of the stage change concept for a specific consumer, in particular electrolyzer 40. In addition to the boundary lines for single-stage operation 21 and two-stage operation 23, a problematic characteristic curve 68 at 50 °C and a problematic associated characteristic curve 69 at 70 °C (temperature of the consumer or electrolyzer 40) are shown. The problematic characteristic curve 69 clearly passes through the prohibited area 62 in a problematic area 72. The problematic characteristic curve 68 also slightly touches the prohibited area 62.
Nachfolgend werden Gegenmaßnahmen 74, 76, 78 erläutert, die in Form von Pfeilen in der Figur 11 gezeigt sind und andeuten sollen, wie die Kennlinien 68, 69 aus dem verbotenen Bereich 62 gebracht werden können bzw. wie der verbotene Bereich 62 so verschoben werden kann, dass sich die Kennlinien 68, 69 nicht mehr in dem verbotenen Bereich befinden. In the following, countermeasures 74, 76, 78 are explained, which are shown in the form of arrows in Figure 11 and are intended to indicate how the characteristic curves 68, 69 can be brought out of the prohibited area 62 or how the prohibited area 62 can be shifted so that the characteristic curves 68, 69 are no longer in the prohibited area.
Eine mögliche Gegenmaßnahme 74 könnte in einer Erhöhung der verbauten Zellenanzahl in Stack des Elektrolyseurs 40 liegen, was zu einer Parallelverschiebung der Kennlinie 68, 69 nach oben führt. Bei gleichem Strom I wird bei höherer Zellenanzahl im Stack eine höhere Spannung U erreicht. A possible countermeasure 74 could be an increase in the number of cells installed in the stack of the electrolyzer 40, which leads to a parallel shift of the characteristic curve 68, 69 upwards. For the same current I, a higher voltage U is achieved with a higher number of cells in the stack.
Eine weitere mögliche Gegenmaßnahme 74 könnte in einer Absenkung der Temperatur T des Verbrauchers, insbesondere Elektrolyseurs 40 bzw. der Stacktemperatur im kritischen Bereich bestehen, was ebenfalls zu einer Parallelverschiebung der Kennlinie 68, 69 nach oben führt. Another possible countermeasure 74 could consist in lowering the temperature T of the consumer, in particular the electrolyzer 40 or the stack temperature in the critical range, which also leads to a parallel shift of the characteristic curve 68, 69 upwards.
Eine weitere mögliche Gegenmaßnahme 76 könnte in einer Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Leistungselektronik bzw. Schaltmittel 18 bestehen, was zu ei- ner Parallelverschiebung der Hyperbel und damit des Grenzwerts Pg1, Pg2 bzw. Pmax nach rechts oben führt. Another possible countermeasure 76 could be to increase the performance of the power electronics or switching means 18, which could lead to a parallel shift of the hyperbola and thus of the limit value Pg1, Pg2 or Pmax to the top right.
Eine weitere mögliche Gegenmaßnahme 78 könnte in der Verwendung eines Spannungswandlers bzw. eines Transformators am Eingang mit geändertem Wicklungsverhältnis bestehen, was zu einer Reduzierung der Phasenspannung Up und damit der gleichgerichteten Spannung Ug führt. Another possible countermeasure 78 could be the use of a voltage converter or a transformer at the input with a modified winding ratio, which leads to a reduction of the phase voltage Up and thus of the rectified voltage Ug.
Eine weitere mögliche Gegenmaßnahme könnte in der Verwendung von Leistungselektronik bzw. Schaltmittel 18 mit höherer Spannungsfestigkeit bestehen, was zu einer Erhöhung des Grenzwerts Us führt. Another possible countermeasure could be the use of power electronics or switching devices 18 with higher dielectric strength, which leads to an increase in the limit value Us.
Gegebenenfalls können die Maßnahmen bzw. einzelne Maßnahmen 74, 76, 78 auch miteinander kombiniert werden. If necessary, measures or individual measures 74, 76 and 78 may also be combined with one another.
Die beschriebene Schaltungsanordnung eignet sich insbesondere für den Betrieb eines Elektrolyseurs 40 bzw. vergleichbarer Anlagen, die aus einem Wechselspannungsnetz mit Gleichspannung über einen weiten Spannungsbereich bei hohen Leistungen versorgt werden müssen. The circuit arrangement described is particularly suitable for the operation of an electrolyzer 40 or comparable systems that must be supplied with direct voltage from an alternating voltage network over a wide voltage range at high power levels.

Claims

Ansprüche Claims
1. Verfahren zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere eines Elektrolyseurs (40), mit einer Gleichspannung, umfassend zumindest einen Gleichrichter (16) zur Wandlung einer von einer Leistungsquelle (12) bereitgestellten Wechselspannung in eine Gleichspannung, umfassend zumindest einen Wandler (30), der über einen Zwischenkreis (26) mit dem Gleichrichter (16) verbunden werden kann, wobei in einem einstufigen Betrieb (21) der Wandler (30) parallel zu dem Gleichrichter (16) betrieben wird, so dass der Wandler (30) als Gleichrichter (30) verwendet wird, um die von der Leistungsquelle (12) bereitgestellte Wechselspannung in eine Gleichspannung zu wandeln, oder in einem zweistufigen Betrieb (23) der Wandler (30) als dem Gleichrichter (16) nachgeschalteten Gleichspannungswandler (30) betrieben wird, zur Versorgung des Verbrauchers, insbesondere Elektrolyseurs (40), mit einer Spannung (U), wobei eine Kennlinie (66) des Verbrauchers (40) einen Umschaltbereich (60) durchläuft, in dem ein Wechsel zwischen dem einstufigen Betrieb (21) und dem zweistufigen Betrieb (23) möglich ist. 1. Method for supplying a consumer, in particular an electrolyzer (40), with a direct voltage, comprising at least one rectifier (16) for converting an alternating voltage provided by a power source (12) into a direct voltage, comprising at least one converter (30) which can be connected to the rectifier (16) via an intermediate circuit (26), wherein in a single-stage operation (21) the converter (30) is operated in parallel with the rectifier (16) so that the converter (30) is used as a rectifier (30) to convert the alternating voltage provided by the power source (12) into a direct voltage, or in a two-stage operation (23) the converter (30) is operated as a direct voltage converter (30) connected downstream of the rectifier (16) to supply the consumer, in particular electrolyzer (40), with a voltage (U), wherein a characteristic curve (66) of the consumer (40) has a switching range (60) in which a change between single-stage operation (21) and two-stage operation (23) is possible.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie (66) des Verbrauchers (40) einen Bereich (62), in dem kein Wechsel zwischen dem einstufigen Betrieb (21) und dem zweistufigen Betrieb (23) möglich ist, nicht durchläuft. 2. Method according to claim 1, characterized in that the characteristic curve (66) of the consumer (40) does not pass through a region (62) in which no change between the single-stage operation (21) and the two-stage operation (23) is possible.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschaltbereich (60) von zumindest einem Spannungsgrenzwert (Ug, Us), insbesondere in Abhängigkeit von einer Phasenspannung (Up) der Leistungsquelle (12), und/oder insbesondere in Abhängigkeit einer maximalen Spannung (Us), für die der Gleichrichter (16) und/oder der Gleichspannungswandler (30) bzw. deren Schaltmittel (18) ausgelegt ist, abhängt. 3. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the switching range (60) depends on at least one voltage limit value (Ug, Us), in particular as a function of a phase voltage (Up) of the power source (12), and/or in particular as a function of a maximum voltage (Us) for which the rectifier (16) and/or the DC-DC converter (30) or their switching means (18) is designed.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschaltbereich (60) von zumindest einem Leistungsgrenzwert (Pg1 , Pg2) abhängt. 4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the switching range (60) depends on at least one power limit value (Pg1, Pg2).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschaltbereich (60) so gewählt ist, dass eine Spannung (U) am Verbraucher (40) sowohl zwischen einem oberen Spannungsgrenzwert (Us) und einem unteren Spannungsgrenzwert (Ug) liegt als auch dass eine Leistung (P) am Verbraucher (40) unterhalb eines Leistungsgrenzwerts (Pg2) liegt. 5. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the switching range (60) is selected such that a voltage (U) at the consumer (40) lies both between an upper voltage limit value (Us) and a lower voltage limit value (Ug) and that a power (P) at the consumer (40) lies below a power limit value (Pg2).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Spannungsgrenzwert (Ug) abhängt von einer Phasenspannung (Up) der Leistungsquelle (12), insbesondere von einer gleichgerichteten Phasenspannung (Up). 6. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the lower voltage limit value (Ug) depends on a phase voltage (Up) of the power source (12), in particular on a rectified phase voltage (Up).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Spannungsgrenzwert (Us) abhängt von einer Spannungsgrenze zumindest eines in dem Gleichrichter (16) und/oder in dem Wandler (30) verwendeten Schaltmittels (18). 7. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the upper voltage limit value (Us) depends on a voltage limit of at least one switching means (18) used in the rectifier (16) and/or in the converter (30).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsgrenzwert (Pg1 , Pg2) abhängt von einer Leistungsgrenze bzw. Maximalleistung des Gleichrichters (16) und/oder des Wandlers (30) bzw. Inverters und/oder von einer Anzahl von verwendeten Gleichrichtern (16) und/oder Wandlern (30). 8. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the power limit value (Pg1, Pg2) depends on a power limit or maximum power of the rectifier (16) and/or the converter (30) or inverter and/or on a number of rectifiers (16) and/or converters (30) used.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (62), in dem kein Wechsel zwischen dem einstufigen Betrieb (21) und dem zweistufigen Betrieb (23) möglich ist, so definiert ist, dass die Leistung (P) am Verbraucher (40) oberhalb eines Leistungsgrenzwerts (Pg2) liegt und die Spannung (U) am Verbraucher (40) unterhalb des unteren Spannungsgrenzwerts (Ug) liegt. 9. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the range (62) in which no change between the single-stage operation (21) and the two-stage operation (23) is possible is defined such that the power (P) at the consumer (40) is above a power limit value (Pg2) and the voltage (U) at the consumer (40) is below the lower voltage limit value (Ug).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie (66) des Verbrauchers (40) den Zusammenhang zwischen der am Verbraucher (40) abfallenden Spannung (U) eines hierbei durch den Verbraucher (40) fließenden Stroms (I) beschreibt und/oder dass der Umschaltbereich (60) und/oder der Bereich (62), in dem kein Umschalten zwischen dem einstufigen Betrieb (21) und dem zweistufigen Betrieb (23) möglich ist, über den Zusammenhang zwischen der am Verbraucher (40) abfallenden Spannung (U) und eines hierbei durch den Verbraucher (40) fließenden Stroms (I) beschrieben wird. 10. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the characteristic curve (66) of the consumer (40) represents the relationship between the voltage (U) dropping across the consumer (40) of a describes the current (I) flowing through the consumer (40) and/or that the switching range (60) and/or the range (62) in which no switching between the single-stage operation (21) and the two-stage operation (23) is possible is described via the relationship between the voltage (U) dropping across the consumer (40) and a current (I) flowing through the consumer (40).
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Gegenmaßnahme (74, 76, 78) vorgenommen wird, wenn die Kennlinie (66) nicht zumindest teilweise durch den Umschaltbereich (60) verläuft. 11. Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one countermeasure (74, 76, 78) is taken if the characteristic curve (66) does not at least partially pass through the switching region (60).
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gegenmaßnahmen eine Anzahl der Gleichrichter (16) und/oder Wandler (30) verändert wird und/oder dass die Anzahl der im Elektrolyseur (40) verbauten Zellen verändert wird und/oder dass der Verbraucher (40) mit einer veränderten, insbesondere niedrigeren Temperatur betrieben wird und/oder dass für den Gleichrichter (16) und/oder für den Wandler (30) verwendete Schaltmittel (18) mit veränderter, insbesondere höherer Stromtragfähigkeit bzw. Spannungsfestigkeit verwendet werden und/oder dass die Phasenspannung (Up) der Leistungsquelle (12) reduziert wird, beispielsweise durch Vorsehen eines Spannungswandlers wie ein Transformator. 12. Method according to one of the preceding claims, characterized in that as countermeasures a number of the rectifiers (16) and/or converters (30) is changed and/or that the number of cells installed in the electrolyzer (40) is changed and/or that the consumer (40) is operated at a changed, in particular lower temperature and/or that switching means (18) used for the rectifier (16) and/or for the converter (30) are used with a changed, in particular higher current-carrying capacity or dielectric strength and/or that the phase voltage (Up) of the power source (12) is reduced, for example by providing a voltage converter such as a transformer.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gleichrichter (16) und/oder dem Wandler (30) und der Leistungsquelle (12) zumindest eine Spule (14, 38) vorgesehen wird und/oder dass zwischen der Leistungsquelle (12) und dem Wandler (30) zumindest ein Schaltmittel (41) einer Schaltereinheit, die für den Wechsel zwischen dem einstufigen Betrieb (21) und den zweistufigen Betrieb (23) vorgesehen ist, vorgesehen wird, und/oder dass zumindest eine Spule (38), insbesondere für jede Phase, angeordnet wird und/oder dass zwischen dem Wandler (30) und dem Verbraucher, insbesondere Elektrolyseur (40), zumindest ein Schaltmittel (42, 43) der Schaltereinheit angeordnet wird und/oder dass zwischen der oder den weiteren Spulen (38) und einem Eingang des Verbrauchers, insbesondere Elektrolyseurs (40), zumindest ein Schalter (42) der Schaltereinheit angeordnet wird. 13. Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one coil (14, 38) is provided between the rectifier (16) and/or the converter (30) and the power source (12) and/or that at least one switching means (41) of a switch unit, which is provided for changing between the single-stage operation (21) and the two-stage operation (23), is provided between the power source (12) and the converter (30), and/or that at least one coil (38), in particular for each phase, is arranged and/or that at least one switching means (42, 43) of the switch unit is arranged between the converter (30) and the consumer, in particular the electrolyzer (40), and/or that at least one switch (42) of the switch unit is arranged between the further coil(s) (38) and an input of the consumer, in particular the electrolyzer (40).
14. Vorrichtung zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere eines Elektrolyseurs (40), mit einer Gleichspannung, umfassend zumindest einen Gleichrichter (16) zur Wandlung einer von einer Leistungsquelle (12) bereitgestellten Wechselspannung in eine Gleichspannung, umfassend zumindest einen Wandler (30), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schaltereinheit (41 , 42, 43) vorgesehen ist, die entweder in einem einstufigen Betrieb (21) den Wandler (30) parallel zu dem Gleichrichter (16) verschaltet, so dass der Wandler (30) als Gleichrichter (30) verwendet wird, um die von der Leistungsquelle (12) bereitgestellte Wechselspannung in eine Gleichspannung zu wandeln, oder in einem zweistufigen Betrieb (23) den Wandler (30) als dem Gleichrichter (16) nachgeschalteten Gleichspannungswandler (30) zu betreiben, wobei die Ausgangsspannung des Wandlers (30) der Versorgung des Elektrolyseurs (40) dient, weiterhin eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 14. Device for supplying a consumer, in particular an electrolyzer (40), with a direct voltage, comprising at least one rectifier (16) for converting an alternating voltage provided by a power source (12) into a direct voltage, comprising at least one converter (30), characterized in that at least one switch unit (41, 42, 43) is provided, which either connects the converter (30) in parallel to the rectifier (16) in a single-stage operation (21), so that the converter (30) is used as a rectifier (30) to convert the alternating voltage provided by the power source (12) into a direct voltage, or in a two-stage operation (23) to operate the converter (30) as a direct voltage converter (30) connected downstream of the rectifier (16), wherein the output voltage of the converter (30) serves to supply the electrolyzer (40), further configured to carry out the method according to one of the preceding claims.
PCT/EP2024/051837 2023-02-21 2024-01-26 Method for supplying a consumer, in particular an electrolyser, with a dc voltage, and device for carrying out the method WO2024175299A1 (en)

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