WO2025119545A1 - Aktives gleichrichtersystem für h2 elektrolyse mit kombiniertem vorlade- und schutzspannungshilfsgleichrichter - Google Patents

Aktives gleichrichtersystem für h2 elektrolyse mit kombiniertem vorlade- und schutzspannungshilfsgleichrichter Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for electrically coupling an electrolysis device to a power supply network using an alternating voltage in order to supply the electrolysis device with electrical energy in a normal electrolysis operation, with an energy source connection for electrically connecting to the power supply network, an electrolysis device connection for connecting to the electrolysis device, a separation unit which is electrically coupled to the energy source connection and has at least one inverter connection, wherein the separation unit is designed to establish an electrical connection between the energy source connection and the at least one inverter connection in a switched-on switching state and to separate the electrical connection between the energy source connection and the at least one inverter connection in a switched-off switching state, an inverter having a DC voltage intermediate circuit, wherein the inverter has at least one AC voltage connection electrically coupled to the at least one inverter connection, a control unit at least for controlling the inverter and the separation unit, wherein the control unit is designed to control the separation unit and the inverter, and a An auxiliary circuit electrically coupled to the power source connection and the DC
  • the invention further relates to a Electrolysis system with an electrolysis device and a circuit arrangement for electrically coupling the electrolysis device to a power supply network using an alternating voltage in order to supply the electrolysis device with electrical energy during normal electrolysis operation.
  • the invention also relates to a method for electrically coupling an electrolysis device to a power supply network using an alternating voltage by means of a circuit arrangement in order to supply the electrolysis device with electrical energy in a normal electrolysis operation, wherein a separation unit of the circuit arrangement establishes an electrical connection between the power supply network and an inverter of the circuit arrangement in a switched-on switching state and separates the electrical connection between the power supply network and the inverter in a switched-off switching state, wherein a DC voltage intermediate circuit of the inverter is electrically coupled to the electrolysis device, a control unit controls at least the separation unit and the inverter, and an auxiliary circuit electrically coupled to the power supply network and the DC voltage intermediate circuit charges at least the DC voltage intermediate circuit to a predetermined electrical DC voltage as
  • Electrolysis devices generally have a plurality of electrolysis cells, which serve in particular for the electrolysis of water to hydrogen and oxygen.
  • Such an electrolysis cell is disclosed for example DE19729529C1 .
  • the basic function of electrolysis, in particular water electrolysis, is known to the person skilled in the art, which is why detailed explanations are not provided here.
  • Electrolysis devices generally have at least one electrolysis cell, but usually the electrolysis devices have a large number of electrolysis cells that are at least partially connected in series.
  • the electrolysis device serves, among other things, to produce substances that can preferably be used on an industrial scale, for example hydrogen in water electrolysis, carbon monoxide in carbon dioxide electrolysis or the like.
  • at least two electrodes of a respective electrolysis cell of the electrolysis device are supplied with a suitable small electrical direct voltage, which can be in the range of a few volts or possibly even less than one volt.
  • a corresponding electrical direct current is provided as the electrolysis current by an electrolysis energy source.
  • the electrolysis energy source is often coupled to a power grid that supplies the electrolysis device with electrical energy.
  • a circuit arrangement is usually provided that serves to couple the electrolysis device to the power grid.
  • the circuit arrangement makes it possible to control an energy flow from the power grid to the electrolysis device, for example by controlling the electrical coupling via the Circuit arrangement can be activated or deactivated as required.
  • the power supply network generally uses an alternating voltage, which can be a single-phase, but preferably a multi-phase, in particular a three-phase, alternating voltage.
  • thyristor-based rectifier units Due to the high power requirements of electrolysis devices, which are associated with a correspondingly high current load, it has previously been common practice to use thyristor-based rectifier units to achieve the required direct current, for example in a range of around 7 kA to around 1 kOkA.
  • thyristor-based rectifier units have proven to be disadvantageous in terms of feedback effects on the power grid, particularly at high power levels, because high current loads in particular can cause severe distortions that cause harmonics in the power grid. It is therefore generally necessary to provide additional components, such as active and/or passive filters, power factor compensation units to meet power grid requirements, particularly with regard to harmonics, and reactive power compensation. This, however, entails correspondingly high additional costs.
  • circuit arrangements with transistor-based inverters are now increasingly being used, which allow the grid-side requirements to be largely met by appropriately controlling inverter switching elements of the inverter formed by transistors in switching mode, so that additional filters and compensation measures can be significantly reduced, if not completely eliminated.
  • an inverse diode is usually connected in parallel to each transistor.
  • the DC link of the inverter has usually has an electrical capacitor which has a correspondingly large electrical capacity for the intended use of supplying an electrolysis device.
  • an appropriately large inductance connected to at least one AC voltage connection of the inverter could be selected.
  • the size of the inductance is limited during the intended functional operation in order to be able to achieve the desired power by means of the inverter. Therefore, a large inductance cannot sufficiently limit any inrush current without disrupting the intended operation.
  • a separate pre-charging circuit is provided which has a rectifier which is connected to the DC voltage intermediate circuit on the DC voltage side. On the AC voltage side, the rectifier is coupled to the power supply network via at least one electrical resistor. This makes it possible to pre-charge the voltage intermediate circuit to the specified DC link voltage before the electrical coupling between the power supply network and the inverter is established via the isolation unit. If the DC voltage intermediate circuit is charged to the specified If the battery is precharged with direct current, the problem described above can be largely avoided.
  • One of the things that proves to be at least partially critical for a particular electrolysis cell is a transition from or to an operating state that differs from the intended electrolysis state. This particularly applies to starting up the electrolysis system or the electrolysis device or shutting down the electrolysis system or the electrolysis device. Particularly during shutdown after intended operation, residual substances, in particular residual gases, may still be present in the electrolysis cells, which may under certain circumstances lead to fuel cell functionality occurring in the electrolysis cells. However, this can cause irreversible damage to the electrolysis cells, which is why fuel cell functionality should be avoided at all costs.
  • the invention is based on the object of developing a generic circuit arrangement in such a way that the reliability of the operation of the electrolysis system or electrolysis device can be improved.
  • the invention proposes a circuit arrangement, an electrolysis system and a method according to the independent claims. Advantageous further developments arise from features of the dependent claims.
  • the invention proposes in particular that the auxiliary circuit is designed to apply a predetermined, suitable protective voltage to the DC voltage intermediate circuit following a change in the switching state of the isolating unit from the switched-on switching state to the switched-off switching state.
  • the invention proposes in particular that the auxiliary circuit applies a predetermined, suitable protective voltage to the DC voltage intermediate circuit following a change in the switching state of the isolating unit from the switched-on switching state to the switched-off switching state.
  • the invention is based, among other things, on the idea that the reliability of the operation of the electrolysis system or electrolysis device can be improved in particular by the circuit arrangement not only being able to provide a pre-charging function, but also a protective voltage if required.
  • These functionalities can be implemented by a single common auxiliary circuit. It is therefore possible to apply a protective voltage, also called polarization voltage, to the electrolysis cells of the electrolysis device outside of the intended electrolysis operation, which protective voltage is selected such that the undesired fuel cell functionality can be largely avoided.
  • the protective voltage can be approximately 1.25 V.
  • the invention does not require any additional protective circuitry or polarization circuitry, because this function can also be implemented with the auxiliary circuit of the invention. This, of course, reduces not only the circuitry complexity but also the control technology complexity.
  • the invention makes it possible to largely dispense with the pre-charging circuit commonly used in the prior art because this functionality can be provided by the auxiliary circuit of the invention.
  • the auxiliary circuit of the invention not only makes it possible to charge or pre-charge the DC link to the predeterminable DC voltage, but the auxiliary circuit also makes it possible to apply a protective voltage to the electrolysis device, at least outside of the intended electrolysis operation, so that undesirable processes in the electrolysis cells of the electrolysis device, which could, for example, result in fuel cell operation, can be largely avoided.
  • a single additional circuit namely the auxiliary circuit
  • the auxiliary circuit can achieve a complete protection and operating concept that can ensure reliable operation of the electrolysis systems as a whole, even with frequently varying operating state changes or load changes, which can, for example, also be caused by the availability of electrical energy from the power grid.
  • the auxiliary circuit allows to create redundancy with regard to the reliability and safe operation of the electrolysis cells of the electrolysis device, so that not only a coupling process with regard to the inverter with the power grid can be realized, but at the same time a parallel auxiliary energy supply for the electrolysis device can also be achieved if, for example, the inverter fails or the like.
  • An inverter is an electrical energy converter or energy transformer that electrically couples a direct current or direct current intermediate circuit with an alternating voltage.
  • the alternating voltage can be single-phase or multi-phase, particularly three-phase, alternating voltage.
  • the inverter has switching elements for energy conversion or energy transformation.
  • the transistor-based inverter can, for example, be designed as a two-level inverter. Furthermore, the inverter can, of course, also use more than just two electrical potentials for its conversion function. In an inverter that uses only two levels for voltage conversion, the two available electrical potentials roughly correspond to the electrical potentials provided by the DC link voltage at the DC link.
  • the inverter is in the present case designed as a transistor-based inverter and has corresponding transistors as switching elements.
  • the transistors of the inverter are operated in a switching mode by means of suitable control signals.
  • the control signals implement a pulse width modulation method if the inverter is designed to use only two electrical potentials which essentially correspond to the electrical potentials available at the DC voltage intermediate circuit. This can of course vary with other inverter designs, for example when using a multi-level inverter (M2C) or the like.
  • M2C multi-level inverter
  • the inverter has at least one connected to the at least one inverter connection electrically coupled AC voltage connection. This means that the inverter is connected to the energy source connection on the AC voltage side via the isolation unit.
  • the inverter is designed according to the number of phases of the AC voltage used.
  • the switching elements of the inverter interact with an electrical energy store in the inverter, which is often formed by inductors arranged on the AC voltage side.
  • the inverter can be designed as a 2-level inverter, for which purpose the switching elements are arranged in the manner of half-bridge circuits for each of the phases of the AC voltage.
  • the half-bridge circuits are connected in parallel to the DC link and each have center terminals that are connected to the inductors.
  • the two electrical potentials of the DC link are provided at the center terminals depending on the respective switching states of the switching elements.
  • inverters are known that can use more than the two aforementioned electrical potentials.
  • the switching operation of a transistor means that in the switched-on state a very low electrical resistance is provided between the respective connections forming the switching path, so that a high current flow is possible with a very low residual voltage.
  • the switching path of the transistor In the switched-off state the switching path of the transistor has a high resistance, i.e. it provides a high electrical resistance, so that even when a high electrical voltage is applied across the switching path there is essentially no current flow or only a very small, in particular negligible, current flow. This differs from linear operation, which is not generally used in inverters.
  • the switching states of the transistor are achieved by a corresponding control signal at its control electrode.
  • the inverter is preferably operated as a grid inverter, which means that at least one of its AC voltage connections is electrically coupled to the power grid.
  • the circuit arrangement For the purpose of coupling the AC voltage connection of the inverter to the power grid, the circuit arrangement generally has a separation unit which serves to establish the electrical connection between the power grid and the inverter.
  • the DC voltage intermediate circuit of the inverter can be coupled to the electrolysis device. During electrolysis operation, energy thus flows from the power grid via the at least one AC voltage connection of the inverter and the inverter to the DC voltage intermediate circuit and from there to the electrolysis device.
  • the energy supply network is preferably a public energy supply network, which preferably provides a three-phase alternating voltage at a frequency of approximately 50 Hz or approximately 60 Hz.
  • the invention is not limited to the use of such frequencies and can, among other things, also be used in alternating voltage networks that use a different frequency, for example approximately 16 Hz to approximately 17 Hz, but also in a range from approximately 200 Hz to approximately 500 Hz.
  • the energy supply network can also be an island network, for example.
  • the island network can be both a stationary network and a mobile network, for example an energy supply network of a vehicle, in particular a watercraft, an aircraft, a motor vehicle or the like.
  • the electrolysis device is supplied with a suitable DC voltage required for normal electrolysis operation via the circuit arrangement.
  • the circuit arrangement provides a corresponding electrolysis current so that the electrolysis cells of the electrolysis device can electrolyze the substance to be electrolyzed, for example water, into the electrolysis components, in the case of water for example hydrogen and oxygen, in the intended manner.
  • the energy source connection of the circuit arrangement can, for example, be a detachable connection with which the circuit arrangement or the electrolysis system can be detachably connected electrically to the energy supply network.
  • the energy source connection can preferably provide a separate electrical connection for each phase of a multi-phase alternating voltage of the energy supply network.
  • connections can also be provided, for example for a neutral conductor, an earth connection and/or the like.
  • the energy source connection can, however, also be fixed, that is to say non-detachable, for example in a stationary system by means of which an electrolysis process is carried out on a large industrial scale.
  • the electrolysis device connection which electrically connects the circuit arrangement to the electrolysis device.
  • This connection can essentially be detachable. However, given the typically high power required, this connection is often not detachable.
  • Both the energy source connection and the electrolysis device connection can be implemented, for example, by means of screw connections, welded connections, clamp connections, and/or the like.
  • the circuit arrangement comprises a separation unit which is electrically coupled to the energy source terminal.
  • the separation unit may comprise at least one electromechanical or electronic switching element, for example a contactor, one or more thyristors, one or more transistors, combination circuits thereof and/or
  • the separation unit is preferably electrically connected directly to the energy source connection.
  • the separation unit also has an inverter connection which is used to connect the inverter.
  • the inverter is preferably designed to suit the number of phases of the energy supply network, so that the inverter connection and the energy source connection are also designed accordingly.
  • the isolating unit is designed to establish an electrical connection between the energy source connection and the at least one inverter connection in a switched-on switching state. In a switched-off switching state, the isolating unit is designed to disconnect the electrical connection between the energy source connection and the at least one inverter connection.
  • a switching signal for example a switch-on signal and/or a switch-off signal. The isolating unit can therefore assume the respective switching state depending on the switching signal.
  • the circuit arrangement further comprises a control unit which serves to control the inverter and the isolating unit.
  • the control unit provides at least one switching signal for the isolating unit and at least the control signals for the transistors for the inverter, so that the desired functionality can be realized.
  • the control unit is preferably designed as an electronic control unit and can be formed, for example, by a hardware circuit, a program-controlled computer unit, combinations thereof or the like.
  • the circuit arrangement further comprises an auxiliary circuit which is electrically coupled on the AC side to the energy source connection and on the DC side to the DC voltage intermediate circuit of the inverter.
  • the auxiliary circuit is designed to provide a DC voltage at least on the basis of the AC voltage provided via the energy source connection and to charge at least the DC voltage intermediate circuit to the predeterminable electrical DC voltage as a pre-charging voltage before the switching state of the isolating unit changes from the switched-off switching state to the switched-on switching state.
  • the pre-charging voltage is preferably selected such that the isolating unit can safely change to the switched-on switching state without damaging the inverter, in particular its inverse diodes or freewheeling diodes.
  • the circuit arrangement in particular the auxiliary circuit or the control unit, can have a suitable voltage sensor for detecting the intermediate DC voltage.
  • the control unit can evaluate the corresponding sensor signal from the voltage sensor and use it in particular to control the isolating unit.
  • the control unit can also control the auxiliary circuit depending on the sensor signal, for example by deactivating the auxiliary circuit as soon as the desired pre-charging voltage is reached or the like. It can also be provided that the control unit only activates the auxiliary circuit when, in addition to a higher-level activation signal, it can also be detected by means of the voltage sensor that the pre-charging voltage at the intermediate DC voltage link has not yet been reached.
  • a transition from or to an operating state that differs from the intended operating state proves to be at least partially critical for a particular electrolysis cell. This particularly applies to starting up the electrolysis cell or the Electrolysis device as well as shutting down the electrolysis cell or the electrolysis device. Particularly during shutdown following normal operation, residual substances, in particular residual gases, may still be present in the electrolysis cell, which may under certain circumstances result in the electrolysis cell exhibiting fuel cell functionality. However, this can irreversibly damage the electrolysis cell, which is why fuel cell functionality should be avoided at all costs.
  • the electrolysis cell is subjected to a protective voltage, also called polarization voltage, outside of normal operation. This polarization voltage is selected so that fuel cell functionality can be largely avoided. In an electrolysis cell for electrolyzing water, the protective voltage can be around 1.25 V, for example. As soon as the electrolysis cell has cooled down accordingly and residual gases have been removed, the provision of the protective voltage can be deactivated.
  • the auxiliary circuit is designed to apply a predetermined, suitable protective voltage to the DC link following a change in the switching state of the separation unit from the switched-on state to the switched-off state.
  • the electrolysis device can be supplied with an electrical DC voltage, namely the protective voltage, even after the end of the intended electrolysis operation, so that undesirable dangerous conditions of at least some of the electrolysis cells can be avoided, for example if substances or electrolysis products to be electrolyzed are still present in the electrolysis cells.
  • the intermediate circuit voltage is measured and adjusted, for example with a predetermined ramp.
  • the intermediate circuit voltage is provided, for example, in such a way that the cell voltages of the electrolysis cells, for example provided from a Cell voltage measurement or calculated from a stack voltage measurement, evaluated and a cell current is increased until all electrolysis cells are above the protection voltage.
  • the invention therefore makes it possible to implement a protective function for the electrolysis device, in particular for its electrolysis cells, without the need for a separate, additional device.
  • the auxiliary circuit which serves, among other things, for the pre-charging process, can also be used to implement the corresponding protective functionality for the electrolysis device or its electrolysis cells outside of the intended electrolysis operation.
  • the control unit can determine a corresponding operating state outside of the intended operating state that requires a protective functionality and provide a corresponding control signal for the auxiliary circuit, so that the auxiliary circuit provides the protective voltage in a suitable manner.
  • the protective voltage is generally different from the pre-charging voltage, so that the auxiliary circuit is designed to be adjustable with regard to the voltage to be provided.
  • the auxiliary circuit therefore not only implements a mere rectifier function to utilize electrical energy from the power grid, but is also capable of providing this energy in the form of a DC voltage that can be suitably adjusted.
  • an adjustable electrical resistor can be used to achieve the desired setting.
  • the auxiliary circuit comprises a rectifier circuit with at least one controllable electronic switching element.
  • the electronic switching element can be, for example, a thyristor or a transistor that is operated in switching mode.
  • the rectifier circuit is designed as Full bridge circuit .
  • all electronic switching elements are particularly preferably designed as thyristors or transistors . This makes it possible to adjust the intermediate circuit voltage at the DC voltage intermediate circuit almost continuously by means of the auxiliary circuit, so that both the pre-charging voltage and the protective voltage can be implemented independently of one another .
  • the auxiliary circuit can be designed to provide either only the protective voltage or only the pre-charging voltage at a given time .
  • auxiliary circuit provides the pre-charging voltage and the protective voltage at least partially simultaneously and switches between the voltages to be provided as required .
  • a corresponding switching unit can be provided, which can also be controllable by the control unit .
  • control unit is configured to control at least the auxiliary circuit in a pre-charging mode and a protective mode. This allows a suitable control functionality to be implemented in a simple manner.
  • At least the separation unit and the inverter are designed for operation on a multi-phase alternating voltage of the power supply network.
  • the auxiliary circuit has an electrical energy storage device.
  • the energy storage device With the energy storage device, it is possible to operate the auxiliary circuit at least temporarily independently of the availability of electrical energy from the power grid. This is particularly advantageous when the power grid is unstable and malfunctions, in particular power outages, can occur during normal electrolysis operation. How As already explained, this can be disadvantageous for the electrolysis device.
  • the energy storage device makes it possible, by means of the auxiliary circuit, to provide the protective voltage in particular independently of the availability of the power supply network, so that the protective voltage can be provided reliably by means of the auxiliary circuit even in the event of a sudden power failure. This proves to be particularly advantageous if the supply of electrical energy via the power supply network suddenly fluctuates and fails.
  • the electrical energy storage device can, for example, be an accumulator or the like.
  • the energy storage device can also comprise an electromechanical generator, which is driven, for example, by an internal combustion engine, a fuel cell device, or the like.
  • the pre-charging voltage and the protective voltage are different from one another.
  • the pre-charging voltage and the protective voltage can thus be specified and provided essentially independently of one another.
  • at least one suitable control signal is required, which can preferably be provided by the control unit and on the basis of which the auxiliary circuit provides either the pre-charging voltage or the protective voltage.
  • the protective voltage and the pre-charging voltage are determined by the auxiliary circuit itself, for example, can be fixedly set, and that the control unit merely provides a control signal which instructs the auxiliary circuit to provide the pre-charging voltage or the auxiliary voltage.
  • the auxiliary circuit it is of course also possible for the auxiliary circuit to be deactivated outside of its intended function of providing the pre-charging voltage and the protective voltage.
  • the control unit can, for example, provide a suitable deactivation signal for the auxiliary circuit.
  • the control unit receives an activation signal for activating the electrolysis operation and, depending on the receipt of the activation signal, first activates the auxiliary circuit for providing the pre-charging voltage and then triggers a change in the switching state of the separation unit from the switched off switching state to the switched on switching state.
  • the activation signal can come from a higher-level control of the electrolysis system or the like.
  • the activation signal can be provided, for example, by a control station.
  • the control unit evaluates the activation signal and preferably determines a switch-on time or a switch-on period for the change in the switching state of the separation unit from the switched off switching state to the switched on switching state.
  • the auxiliary circuit is preferably controlled in advance in such a way that the auxiliary circuit is able to provide the pre-charging voltage up to the predetermined time or period. This makes it possible to achieve reliable operation, in particular when the separation unit changes from the switched off switching state to the switched on switching state. If the DC link is not completely discharged, this can be detected by the voltage sensor and taken into account when determining the activation of the auxiliary circuit. This allows an adjusted time offset to be achieved between the activation of the auxiliary circuit to provide the pre-charging voltage and the triggering of the change in the switching state of the isolation unit, depending on the charge state of the DC link.
  • the protective voltage is maintained by the auxiliary circuit for a specified period is provided and the provision is terminated after the specified period of time. It can be provided that the auxiliary circuit provides the pre-charging voltage for the specified period of time. After the specified period of time has expired, the auxiliary circuit can then be deactivated in order to terminate the provision of the specified pre-charging voltage.
  • the auxiliary circuit therefore does not need to be in operation continuously during normal electrolysis operation. Rather, it can be deactivated, for example, when the switching state of the separation unit changes. Deactivation can also take place shortly after the switching state of the separation unit changes, for example in order to have a certain degree of temporal redundancy available.
  • an error message and/or a request to enter user feedback is issued and/or a standard setting and/or a predetermined initial state is set.
  • FIG 1 is a schematic diagram of an electrolysis plant connected to a power grid for electrolyzing water
  • FIG 2 is a schematic circuit diagram of an electrolysis plant for electrolyzing water, connected to a power supply network, which plant has an auxiliary circuit.
  • FIG 1 shows a schematic circuit diagram of an electrolysis plant 10 which is connected to a power supply network 14 via a first circuit arrangement 50, which provides a three-phase alternating voltage.
  • the three-phase alternating voltage is a voltage with an effective value of approximately 900 V at a frequency of approximately 50 Hz.
  • the first circuit arrangement 50 serves to supply the electrolysis device 12 with electrical energy during normal electrolysis operation.
  • the electrolysis device 12 is used here for the electrolysis of water into hydrogen and oxygen and has a plurality of electrolysis cells (not shown in detail), which are at least partially connected in series.
  • the power supply network 14 provides the three-phase alternating voltage.
  • the circuit arrangement 50 has a power source connection 18 to which the power supply network 14, i.e., the three phases of the power supply network 14 in this case, are connected. Furthermore, the circuit arrangement 50 has an electrolysis device connection 20 to which the electrolysis device 12 is connected.
  • the circuit arrangement 50 also has a disconnection unit 22 which is connected to the energy source connection 18.
  • the disconnection unit 22 also has an inverter connection 24.
  • the disconnection unit 22 is designed to establish an electrical connection between the energy source connection 18 and the inverter connection 24 in an on-switched state and to disconnect the electrical connection between the energy source connection 18 and the inverter connection 24 in a off-switched state.
  • the energy source connection 18 and the inverter connection 24 are designed in the present case to be adapted for operation on the three-phase alternating voltage.
  • the disconnection unit 22 also has a respective electromechanical switching element in the form of a contactor for each of the phases of the alternating voltage.
  • the circuit arrangement 50 further comprises a transistor-based inverter 28 which has a DC voltage intermediate circuit 26 and an AC voltage connection 30 electrically connected to the inverter connection 24.
  • the inverter 28 is also designed in the present case for operation with a three-phase AC voltage.
  • the inverter 28 has three respective half-bridge circuits made up of respective transistors 54 which are connected in parallel to the DC voltage intermediate circuit 26.
  • a respective inverse diode 56 is connected in parallel to each transistor 54.
  • Center taps of the respective half-bridge circuits are connected via respective inductors 52 to respective phase connections of the AC voltage connection 30.
  • the transistors 54 can be formed by MOSFETs. In alternative embodiments, other transistors can of course also be used, for example bipolar transistors, field effect transistors or the like.
  • Both the switching elements 58 of the separation unit 22 and the transistors 54 of the inverter 28 can be operated by suitable control signals from a control unit 32.
  • the inverter 28 is designed as a 2-level inverter, and the control signals for the transistors 54 of the control unit 32 serve to implement a respective pulse width modulation for a respective phase of the alternating voltage.
  • the functional principle of pulse width modulation in an inverter is known to those skilled in the art, which is why further explanations in this regard are omitted here.
  • the control unit 32 is a component of the electrolysis system 10, preferably of the circuit arrangement 50.
  • the inverter 28 is operated as a grid inverter.
  • a Rectifier functionality can be implemented to charge the DC intermediate circuit 26 to a predetermined DC voltage for the intended electrolysis operation.
  • the DC intermediate circuit 26 has an electrical capacitor 60.
  • the separation unit 22 is in the switched-on state, so that the inverter 28, as a grid inverter, is electrically connected to the respective phases of the alternating voltage of the power supply network 14.
  • the inverter 28 as a grid inverter
  • an intermediate DC voltage is provided at the DC voltage intermediate circuit 26, which is passed to the electrolysis device 12 when a switching unit 62 is switched on.
  • the electrolysis device 12 can be electrically separated from the circuit arrangement 50 via the switching unit 62, which can also have electromechanical switching elements or electronic switching elements.
  • the switching elements of the switching unit 62 can basically be designed in the same way as in the separation unit 22.
  • the pre-charging circuit 46 has a further isolating unit 40 which in the present case also has electromechanical switching elements in the manner of a contactor.
  • the isolating unit 40 is connected via electrical resistors 42 for each of the phases to an AC voltage side of a three-phase bridge rectifier 48.
  • the three-phase bridge rectifier 48 has diodes 44.
  • the bridge rectifier 48 is connected to the DC voltage intermediate circuit 26.
  • the pre-charging circuit 46 is connected to all three phases of the AC voltage. In alternative embodiments, however, it can be provided that the pre-charging circuit 46 is connected to at least one of the three phases of the AC voltage.
  • the isolating unit 40 is first switched into the switched-on state by means of a corresponding pre-charging switch-on signal from the control unit 32, before the isolating unit 22 changes to the switched switching state.
  • the alternating voltage of the energy supply network 14 can charge the direct voltage intermediate circuit 26 to a pre-charging voltage via the electrical resistors 42 and the bridge rectifier 48.
  • the pre-charging voltage is preferably selected such that a change in the switching state of the isolating unit 22 to the switched-on state avoids the aforementioned disadvantage when switching on the inverter 28.
  • the pre-charging voltage is preferably selected substantially corresponding approximately to an amplitude of the alternating voltage of the energy supply network 14.
  • control unit can control the isolating unit 22 accordingly, so that it changes to the switched-on switching state and thus the Inverter 28 is electrically coupled to the power supply network 14.
  • control unit 32 can deactivate the pre-charging circuit 46 if necessary by controlling the separation unit 40 accordingly with a pre-charging shutdown signal, so that the separation unit 40 changes to the switched-off state.
  • the precharging circuit 46 enables the implementation of a precharging function for the DC link 26, this circuit is not suitable for also providing a protective voltage for the electrolysis device 12, for example, to enable the electrolysis device 12 to start up its intended electrolysis operation or to shut down after the intended electrolysis operation has ended. This would require a protective voltage that differs from the precharging voltage.
  • FIG. 2 shows, in a further schematic circuit diagram like FIG. 1, a schematic circuit diagram of an electrolysis system 10 with a circuit arrangement 16 instead of the circuit arrangement 50, in which an auxiliary circuit 34 is installed instead of the pre-charging circuit 46 and with whose aid it is possible to implement both the pre-charging functionality and the protection functionality.
  • the auxiliary circuit 34 is also connected to the control unit 32 for this purpose in order to be controlled accordingly.
  • the auxiliary circuit 34 is preferably a component of the circuit arrangement 16.
  • the design according to FIG 2 is based on the design according to FIG 1 , which is why only the differences to the design according to FIG 1 are explained below.
  • the circuit arrangement 16 according to FIG. 2 differs from the circuit arrangement 50 according to FIG. 1 in that the pre-charging circuit 46 is replaced by the auxiliary circuit 34.
  • the auxiliary circuit 34 differs from the pre-charging circuit 46 in that the resistors 42 and the bridge rectifier 48 are replaced by a rectifier circuit 36 which is essentially also based on the circuit structure of a three-phase bridge circuit, but in which the diodes of the bridge rectifier 48 are replaced by thyristors 38.
  • the thyristors 38 are controlled by suitable control signals from the control unit 32.
  • the thyristors 38 can be controlled accordingly, so that the capacitor 60 of the DC voltage intermediate circuit 26 can be charged successively with the smallest possible voltage differences between the voltage values present at the respective ignition times and a current DC intermediate circuit voltage. This makes it possible to achieve the pre-charging voltage at the DC voltage intermediate circuit 26 in a simple manner.
  • the thyristors 38 it is also possible to shorten the charging process and thus implement a charging process that is as efficient and short as possible. This can be achieved with comparatively little hardware outlay.
  • suitable protective voltage can be provided for the electrolysis device 12, so that the problems mentioned above when shutting down the electrolysis system 10 after the end of the intended electrolysis process can be avoided.
  • the auxiliary circuit 34 can also be used, for example, to start up the electrolysis device 12 by providing a suitable protective voltage before the separation unit 22 changes from the switched-off state to the switched-on state.
  • the DC voltage intermediate circuit can be pre-charged to the pre-charge voltage shortly before this time using the auxiliary circuit 34. This can be done very quickly using the auxiliary circuit 34, so that negative effects on the electrolysis device 12 can be largely avoided.
  • the switching state of the separation unit 22 is changed by means of a suitable switch-on signal from the control unit 32, so that the switched-on state is assumed.
  • the desired energy supply functionality for the intended electrolysis operation can then be initiated, so that the intended electrolysis operation can be realized by the electrolysis device 12.
  • auxiliary circuit 34 By means of the auxiliary circuit 34 according to the invention, it is thus possible to provide a protective voltage not only after the termination of the intended electrolysis operation, but also to implement this already for the start-up of the electrolysis device 12 to commence the intended electrolysis operation. This can be implemented cost-effectively with limited effort.
  • the exemplary embodiments serve solely to explain the invention and are not intended to limit it.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (16) zum elektrischen Koppeln einer Elektrolysevorrichtung (12) mit einem eine Wechselspannung nutzenden Energieversorgungsnetz (14), um die Elektrolysevorrichtung (12) in einem bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb mit elektrischer Energie zu versorgen, mit - einem Energiequellenanschluss (18), - einem Elektrolysevorrichtungsanschluss (20), - einer Trenneinheit (22), die wenigstens einen Wechselrichteranschluss (24) aufweist, - einem einen Gleichspannungszwischenkreis (26) und einen mit dem Wechselrichteranschluss (24) elektrisch gekoppelten Wechselspannungsanschluss (30) aufweisenden Wechselrichter (28), - einer Steuereinheit (32), und - einer Hilfsschaltung (34), die ausgebildet ist, zumindest den Gleichspannungszwischenkreis (26) zeitlich vor einem Wechsel des Schaltzustands der Trenneinheit (22) auf eine vorgebbare elektrische Gleichspannung als Vorladespannung aufzuladen. Erfindungsgemäß ist die Hilfsschaltung (34) ausgebildet, den Gleichspannungszwischenkreis (26) im Anschluss an einen Wechsel des Schaltzustands der Trenneinheit (22) vom eingeschalteten Schaltzustand in den ausgeschalteten Schaltzustand mit einer vorgegebenen, geeigneten Schutzspannung zu beaufschlagen.

Description

Beschreibung
AKTIVES GLEICHRICHTERSYSTEM FÜR H2 ELEKTROLYSE MIT KOMBINIERTEM VORLADE- UND SCHUTZSPANNUNGSHILFSGLEICHRICHTER
Die Erfindung betri f ft eine Schaltungsanordnung zum elektrischen Koppeln einer Elektrolysevorrichtung mit einem eine Wechselspannung nutzenden Energieversorgungsnetz , um die Elektrolysevorrichtung in einem bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb mit elektrischer Energie zu versorgen, mit einem Energiequellenanschluss zum elektrischen Anschließen an das Energieversorgungsnetz , einem Elektrolysevorrichtungsanschluss zum Anschließen an die Elektrolysevorrichtung, einer mit dem Energiequellenanschluss elektrisch gekoppelten Trenneinheit , die wenigstens einen Wechselrichteranschluss aufweist , wobei die Trenneinheit ausgebildet ist , in einem eingeschalteten Schalt zustand eine elektrische Verbindung zwischen dem Energiequellenanschluss und dem wenigstens einen Wechselrichteranschluss herzustellen und in einem ausgeschalteten Schalt zustand die elektrische Verbindung zwischen dem Energiequellenanschluss und dem wenigstens einen Wechselrichteranschluss zu trennen, einem einen Gleichspannungs zwischenkreis aufweisenden Wechselrichter, wobei der Wechselrichter wenigstens einen mit dem wenigstens einen Wechselrichteranschluss elektrisch gekoppelten Wechselspannungsanschluss aufweist , einer Steuereinheit zumindest zum Steuern des Wechselrichters und der Trenneinheit , wobei die Steuereinheit ausgebildet ist , die Trenneinheit und den Wechselrichter zu steuern, und einer mit dem Energiequellenanschluss und dem Gleichspannungs zwischenkreis elektrisch gekoppelten Hil fsschaltung, die ausgebildet ist , zumindest den Gleichspannungs zwischenkreis zeitlich vor einem Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand auf eine vorgebbare elektrische Gleichspannung als Vorladespannung auf zuladen . Die Erfindung betri f ft ferner eine Elektrolyseanlage mit einer Elektrolysevorrichtung und einer Schaltungsanordnung zum elektrischen Koppeln der Elektrolysevorrichtung mit einem eine Wechselspannung nutzenden Energieversorgungsnetz , um die Elektrolysevorrichtung in einem bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb mit elektrischer Energie zu versorgen . Schließlich betri f ft die Erfindung auch ein Verfahren zum elektrischen Koppeln einer Elektrolysevorrichtung mit einem eine Wechselspannung nutzenden Energieversorgungsnetz mittels einer Schaltungsanordnung, um die Elektrolysevorrichtung in einem bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb mit elektrischer Energie zu versorgen, wobei eine Trenneinheit der Schaltungsanordnung in einem eingeschalteten Schalt zustand eine elektrische Verbindung zwischen dem Energieversorgungsnetz und einem Wechselrichter der Schaltungsanordnung herstellt und in einem ausgeschalteten Schalt zustand die elektrische Verbindung zwischen dem Energieversorgungsnetz und dem Wechselrichter trennt , wobei ein Gleichspannungs zwischenkreis des Wechselrichters mit der Elektrolysevorrichtung elektrisch gekoppelt ist , eine Steuereinheit zumindest die Trenneinheit und den Wechselrichter steuert , und eine mit dem Energieversorgungsnetz und dem Gleichspannungs zwischenkreis elektrisch gekoppelte Hil fsschaltung zumindest den Gleichspannungs zwischenkreis zeitlich vor einem Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand auf eine vorgegebene elektrische Gleichspannung als Vorladespannung auf lädt .
Gattungsgemäße Schaltungsanordnungen, Elektrolyseanlagen mit derartigen Schaltungsanordnungen sowie gattungsgemäße Verfahren sind im Stand der Technik umfänglich bekannt , sodass es eines gesonderten druckschri ftlichen Nachweises hierzu nicht bedarf . Elektrolysevorrichtungen weisen in der Regel eine Viel zahl von Elektrolysezellen auf , die insbesondere der Elektrolyse von Wasser zu Wasserstof f und Sauerstof f dienen . Eine derartige Elektrolysezelle of fenbart zum Beispiel die DE19729529C1 . Die grundlegende Funktion der Elektrolyse , insbesondere der Wasserelektrolyse , ist dem Fachmann bekannt , weshalb von detaillierten Erläuterungen hierzu vorliegend abgesehen wird .
Elektrolysevorrichtungen weisen in der Regel wenigstens eine Elektrolysezelle auf und üblicherweise weisen die Elektrolysevorrichtungen j edoch eine Viel zahl von zumindest teilweise in Reihe geschalteter Elektrolysezellen auf . Die Elektrolysevorrichtung dient unter anderem dazu, vorzugsweise im industriellen Umfang nutzbare Stof fe , beispielsweise Wasserstof f bei einer Wasserelektrolyse , Kohlenmonoxid bei einer Kohlenstof fdioxidelektrolyse oder dergleichen herzustellen . Zu diesem Zweck werden wenigstens zwei Elektroden einer j eweiligen Elektrolysezelle der Elektrolysevorrichtung mit einer geeigneten kleinen elektrischen Gleichspannung beaufschlagt , die im Bereich von einigen wenigen Volt oder eventuell sogar kleiner als ein Volt sein kann . Entsprechend der durch die Elektrolyse bereitzustellenden Stof fmenge wird von einer Elektrolyseenergiequelle ein entsprechender elektrischer Gleichstrom als Elektrolysestrom bereitgestellt . Bei in Reihe geschalteten Elektrolysezellen durchströmt dieser Gleichstrom sämtliche der in Reihe geschalteten Elektrolysezellen . Die Reihenschaltung ist elektrisch mit der Elektrolyseenergiequelle gekoppelt . Darüber hinaus ist es auch möglich, Elektrolysezellen nicht ausschließlich nur in Reihe , sondern zumindest teilweise auch parallel zuschalten .
Die Elektrolyseenergiequelle ist häufig mit einem Energieversorgungsnetz gekoppelt , welches die Elektrolysevorrichtung mit elektrischer Energie versorgt . Zum Zwecke der elektrischen Kopplung ist in der Regel eine Schaltungsanordnung vorgesehen, die dem Koppeln der Elektrolysevorrichtung mit dem Energieversorgungsnetz dient . Die Schaltungsanordnung ermöglicht es , einen Energiefluss vom Energieversorgungsnetz zur Elektrolysevorrichtung zu steuern, beispielsweise indem die elektrische Kopplung über die Schaltungsanordnung bedarfsweise aktiviert beziehungsweise deaktiviert werden kann . Das Energieversorgungsnetz nutzt in der Regel eine Wechselspannung, die eine einphasige , vorzugsweise j edoch eine mehrphasige , insbesondere eine dreiphasige , Wechselspannung sein kann .
Wegen der hohen Leistungsanforderung von Elektrolysevorrichtungen, die mit einer entsprechend großen Strombeanspruchung einhergeht , war es bisher üblich, thyristorbasierte Gleichrichtereinheiten einzusetzen, um den erforderlichen Gleichstrom, zum Beispiel in einem Bereich von etwa 7 kA bis etwa l OkA, zu erreichen . Thyristorbasierte Gleichrichtereinheiten erweisen sich j edoch besonders bei großen Leistungen in Bezug auf Rückwirkungen auf das Energieversorgungsnetz als nachteilig, weil besonders bei einer großen Strombeanspruchung starke Verzerrungen auftreten, die Harmonische im Energieversorgungsnetz bewirken . Es ist daher in aller Regel erforderlich, zusätzliche Komponenten, beispielsweise aktive und/oder passive Filter, Leistungs faktorkompensationseinheiten, um Energieversorgungsnetzseitige Anforderungen, insbesondere in Bezug auf Harmonische , zu erfüllen, sowie Blindleistungskompensationen vorzusehen . Dies hat j edoch entsprechend große zusätzliche Kosten zur Folge .
Daher werden mittlerweile vermehrt Schaltungsanordnungen mit transistorbasierten Wechselrichtern eingesetzt , die es erlauben, durch geeignetes Steuern von durch Transistoren gebildete Wechselrichterschaltelementen des Wechselrichters im Schaltbetrieb die netzseitigen Anforderungen weitgehend zu erfüllen, sodass zusätzliche Filter und Kompensationsmaßnahmen erheblich reduziert werden können, wenn nicht sogar vollständig entfallen können .
Für die bestimmungsgemäße Funktion des Wechselrichters ist in der Regel vorgesehen, dass zu j edem Transistor eine Inversdiode parallelgeschaltet ist . Der Gleichspannungs zwischenkreis des Wechselrichters weist üblicherweise einen elektrischen Kondensator auf , der für die vorgesehene Nutzung zur Versorgung einer Elektrolysevorrichtung eine entsprechend große elektrische Kapazität aufweist . Bei einer Inbetriebnahme der durch die Elektrolysevorrichtung und in Verbindung mit der Schaltungsanordnung gebildeten Elektrolyseanlage ist es in der Regel erforderlich, den Gleichspannungs zwischenkreis zunächst auf eine vorgegebene Zwischenkreisgleichspannung als Vorladespannung vorzuladen beziehungsweise auf zuladen, bevor der Wechselrichter mit dem Energieversorgungsnetz elektrisch gekoppelt wird . Würde nämlich der Wechselrichter mit dem Energieversorgungsnetz gekoppelt , wenn der Gleichspannungs zwischenkreis im wesentlichen Entladen ist , kann ein sehr großer, nahezu unbegrenzter, Strom durch die Freilauf- beziehungsweise Inversdioden auftreten, die dadurch überlastet werden und aus fallen können . Ein Fehler des Wechselrichters wäre die Folge .
Um dieses Problem zu vermeiden, könnte eine am wenigstens einen Wechselspannungsanschluss des Wechselrichters angeschlossene Induktivität entsprechend groß gewählt werden . Die Größe der Induktivität ist j edoch bei dem vorgesehenen Funktionsbetrieb begrenzt , um die gewünschte Leistung mittels des Wechselrichters realisieren zu können . Daher kann eine große Induktivität einen etwaigen Einschaltstrom nicht hinreichend begrenzen, ohne den bestimmungsgemäßen Betrieb zu stören . Aus diesem Grund wird eine separate Vorladeschaltung vorgesehen, die einen Gleichrichter aufweist , der gleichspannungsseitig am Gleichspannungs zwischenkreis angeschlossen ist . Wechselspannungsseitig ist der Gleichrichter über wenigstens einen elektrischen Widerstand mit dem Energieversorgungsnetz gekoppelt . Dadurch ist es möglich, den Spannungs zwischenkreis auf die vorgegebene Zwischenkreisgleichspannung vorzuladen, bevor die elektrische Kopplung zwischen dem Energieversorgungsnetz und dem Wechselrichter über die Trenneinheit hergestellt wird . I st nämlich der Gleichspannungs zwischenkreis auf die vorgegebene Gleichspannung vorgeladen, kann die zuvor beschriebene Problematik weitgehend vermieden werden .
Auch wenn sich die vorgenannte Schaltungsanordnung bewährt hat , verbleibt dennoch Verbesserungsbedarf . Als zumindest teilweise kritisch für eine j eweilige Elektrolysezelle erweist sich unter anderem ein Übergang von oder zu einem vom bestimmungsgemäßen Elektrolysezustand verschiedenen Betriebs zustand . Dies bezieht sich insbesondere zumindest auf ein Anfahren der Elektrolyseanlage beziehungsweise der Elektrolysevorrichtung oder auch ein Herunterfahren der Elektrolyseanlage beziehungsweise der Elektrolysevorrichtung . Besonders beim Herunterfahren nach dem bestimmungsgemäßen Betrieb können noch Reststof fe , insbesondere Restgase , in den Elektrolysezellen vorhanden sein, die unter Umständen dazu führen können, dass in den Elektrolysezellen eine Brennstof f zellenfunktionalität auftreten kann . Hierdurch können die Elektrolysezellen j edoch irreversibel geschädigt werden, weshalb die Brennstof f zellenfunktionalität unbedingt vermieden werden soll .
Die Inbetriebnahme beziehungsweise das Herunterfahren der Elektrolyseanlage erfordert daher in der Regel weitere Maßnahmen, um eine zuverlässige Funktion zu gewährleisten . Mit der bekannten Schaltungsanordnung in Verbindung mit der Vorladeschaltung kann dies nicht erreicht werden, weil diese sich für eine erforderliche Steuerungs funktionalität nicht eignen .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde , eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung dahingehend weiterzubilden, dass die Zuverlässigkeit des Betriebs der Elektrolyseanlage beziehungsweise Elektrolysevorrichtung verbessert werden kann .
Als Lösung werden mit der Erfindung eine Schaltungsanordnung, eine Elektrolyseanlage sowie ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen . Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche .
In Bezug auf eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Hil fsschaltung ausgebildet ist , den Gleichspannungs zwischenkreis im Anschluss an einen Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit vom eingeschalteten Schalt zustand in den ausgeschalteten Schalt zustand mit einer vorgegebenen, geeigneten Schutzspannung zu beaufschlagen .
In Bezug auf eine gattungsgemäße Elektrolyseanlage wird vorgeschlagen, dass die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ausgebildet ist .
In Bezug auf ein gattungsgemäßes Verfahren wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Hil fsschaltung den Gleichspannungs zwischenkreis im Anschluss an einen Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit vom eingeschalteten Schalt zustand in den ausgeschalteten Schalt zustand mit einer vorgegebenen, geeigneten Schutzspannung beaufschlagt .
Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass die Zuverlässigkeit des Betriebs der Elektrolyseanlage beziehungsweise Elektrolysevorrichtung insbesondere dadurch verbessert werden kann, dass die Schaltungsanordnung nicht nur eine Vorladefunktionalität bereitzustellen vermag, sondern bei Bedarf auch eine Schutzspannung bereitstellen kann . Diese Funktionalitäten können durch eine einzige gemeinsame Hil fsschaltung realisiert werden . Es ist also möglich, die Elektrolysezellen der Elektrolysevorrichtung außerhalb des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs mit einer Schutzspannung, auch Polarisationsspannung genannt , zu beaufschlagen, die so gewählt ist , dass die unerwünschte Brennstof f zellenfunktionalität weitgehend vermieden werden kann . Bei einer einzelnen Elektrolysezelle zum Elektrolysieren von Wasser kann die Schutzspannung zum Beispiel etwa 1 , 25 V betragen . Sobald die Elektrolysezelle entsprechend abgekühlt und Restgase entfernt sind, kann das Bereitstellen der Schutzspannung deaktiviert werden . Es bedarf also bei der Erfindung keiner weiteren Schutzschaltung beziehungsweise Polarisationsschaltung, weil diese Funktion gleichfalls mit der Hil fsschaltung der Erfindung realisiert werden kann . Dadurch können natürlich nicht nur schaltungstechnischer Aufwand sondern auch steuerungstechnischer Aufwand reduziert werden .
Durch die Erfindung kann insbesondere erreicht werden, dass die im Stand der Technik übliche Vorladeschaltung weitgehend eingespart werden kann, weil diese Funktionalität durch die Hil fsschaltung der Erfindung bereitgestellt werden kann . Darüber hinaus ermöglicht es die Hil fsschaltung der Erfindung, nicht nur den Gleichspannungs zwischenkreis auf die vorgebbare Gleichspannung auf zuladen beziehungsweise vorzuladen, sondern die Hil fsschaltung ermöglicht es ferner, die Elektrolysevorrichtung zumindest außerhalb des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs mit einer Schutzspannung zu beaufschlagen, sodass unerwünschte Prozesse in den Elektrolysezellen der Elektrolysevorrichtung, die zum Beispiel einen Brennstof f zellenbetrieb zur Folge haben können, weitgehend vermieden werden können . Dadurch kann mittels einer einzigen Zusatzschaltung, nämlich der Hil fsschaltung, ein vollständiges Schutz- beziehungsweise Betriebskonzept erreicht werden, welches einen zuverlässigen Betrieb der Elektrolyseanlagen insgesamt auch bei häufig variierenden Betriebs zustandsänderungen beziehungsweise Lastwechseln, die zum Beispiel auch durch eine Bereitstellbarkeit von elektrischer Energie durch das Energieversorgungsnetz begründet sein können, realisieren kann . Zugleich ermöglicht es die Hil fsschaltung, hinsichtlich der Zuverlässigkeit und des sicheren Betriebs der Elektrolysezellen der Elektrolysevorrichtung eine Redundanz zu schaf fen, sodass nicht nur ein Kopplungsvorgang in Bezug auf den Wechselrichter mit dem Energieversorgungsnetz realisiert werden kann, sondern zugleich auch eine parallele Hil fsenergieversorgung für die Elektrolysevorrichtung erreicht werden kann, wenn beispielsweise der Wechselrichter aus fällt oder dergleichen .
Ein Wechselrichter ist ein elektrischer Energiewandler beziehungsweise Energieumformer, der einen Gleichspannungsoder Gleichstromzwischenkreis mit einer Wechselspannung elektrisch koppelt . Die Wechselspannung kann eine einphasige oder mehrphasige , insbesondere dreiphasige , Wechselspannung sein . Zum Energiewandeln beziehungsweise Energieumformen weist der Wechselrichter Schaltelemente auf .
Der transistorbasierte Wechselrichter kann zum Beispiel als Zwei-Pegel-Wechselrichter ausgebildet sein . Darüber hinaus kann der Wechselrichter natürlich auch mehr als lediglich zwei elektrische Potentiale für seine Wandlungs funktion nutzen . Bei einem Wechselrichter, der lediglich zwei Pegel zur Spannungswandlung nutzt , entsprechen die beiden bereitstellbaren elektrischen Potentiale etwa den elektrischen Potentialen, die durch die Zwischenkreisgleichspannung am Gleichspannungs zwischenkreis bereitgestellt sind .
Der Wechselrichter ist vorliegend als transistorbasierter Wechselrichter ausgebildet und weist als Schaltelemente entsprechende Transistoren auf . Die Transistoren des Wechselrichters werden mittels geeigneter Steuersignale in einem Schaltbetrieb betrieben . Die Steuersignale realisieren einen Pulsweitenmodulationsverfahren, wenn der Wechselrichter ausgebildet ist , lediglich zwei elektrische Potentiale zu nutzen, die im Wesentlichen den am Gleichspannungs zwischenkreis zur Verfügung stehenden elektrischen Potentialen entsprechen . Bei anderen Wechselrichterkonstruktionen kann dies natürlich variieren, beispielsweise bei Einsatzes eines Mehr-Pegel-Wechselrichters (M2C ) oder dergleichen . Der Wechselrichter weist wenigstens einen mit dem wenigstens einen Wechselrichteranschluss elektrisch gekoppelten Wechselspannungsanschluss auf . Dadurch ist der Wechselrichter wechselspannungsseitig über die Trenneinheit mit dem Energiequellenanschluss verbunden . Der Wechselrichter ist entsprechend der Anzahl der Phasen der genutzten Wechselspannung ausgebildet .
Die Schaltelemente des Wechselrichters wirken mit einem elektrischen Energiespeicher des Wechselrichters zusammen, der häufig durch wechselspannungsseitige angeordnete Induktivitäten gebildet ist . Der Wechselrichter kann als 2- Pegel-Wechselrichter ausgebildet sein, zu welchem Zweck die Schaltelemente nach Art von Halbbrückenschaltungen für j ede der Phasen der Wechselspannung angeordnet sind . Die Halbbrückenschaltungen sind parallelgeschaltet am Gleichspannungs zwischenkreis angeschlossen und weisen j eweilige Mittelanschlüsse auf , die mit den Induktivitäten verbunden sind . An den Mittelanschlüssen werden abhängig von j eweiligen Schalt zuständen der Schaltelemente die zwei elektrischen Potentiale des Gleichspannungs zwischenkreises bereitgestellt . Darüber hinaus sind Wechselrichter bekannt , die mehr als die zwei vorgenannten elektrischen Potentiale nutzen können .
Der Schaltbetrieb eines Transistors bedeutet , dass in einem eingeschalteten Zustand zwischen j eweiligen die Schaltstrecke bildenden Anschlüssen ein sehr geringer elektrischer Widerstand bereitgestellt wird, sodass ein hoher Stromfluss bei sehr kleiner Restspannung möglich ist . Im ausgeschalteten Zustand ist die Schaltstrecke des Transistors hochohmig, das heißt , sie stellt einen hohen elektrischen Widerstand bereit , sodass auch bei hoher an der Schaltstrecke anliegender elektrischer Spannung im Wesentlichen kein oder nur ein sehr geringer insbesondere vernachlässigbarer elektrischer Stromfluss vorliegt . Hiervon unterscheidet sich in Linearbetrieb, der aber bei Wechselrichtern in der Regel nicht zum Einsatz kommt . Die Schalt zustände des Transistors werden durch ein entsprechendes Steuersignal an dessen Steuerelektrode erreicht . Der Wechselrichter wird vorzugsweise als Netzwechselrichter betrieben, das heißt , dass sein wenigstens einer Wechselspannungsanschluss mit dem Energieversorgungsnetz elektrisch gekoppelt ist .
Zum Zwecke des Koppelns des Wechselspannungsanschlusses des Wechselrichters mit dem Energieversorgungsnetz weist die Schaltungsanordnung in der Regel eine Trenneinheit auf , die dem Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen dem Energieversorgungsnetz und dem Wechselrichter dient . Der Gleichspannungs zwischenkreis des Wechselrichters ist dagegen mit der Elektrolysevorrichtung koppelbar . Im Elektrolysebetrieb erfolgt ein Energiefluss somit vom Energieversorgungsnetz über dem wenigstens einen Wechselspannungsanschluss des Wechselrichters und den Wechselrichter zum Gleichspannungs zwischenkreis und von diesem zur Elektrolysevorrichtung .
Das Energieversorgungsnetz ist vorzugsweise ein öf fentliches Energieversorgungsnetz , welches vorzugsweise eine dreiphasige Wechselspannung bei einer Frequenz von etwa 50 Hz oder etwa 60 Hz bereitstellt . Die Erfindung ist j edoch nicht auf die Nutzung derartiger Frequenzen begrenzt und kann unter anderem auch bei Wechselspannungsnetzen zum Einsatz kommen, die eine abweichende Frequenz nutzen, beispielsweise etwa 16 Hz bis etwa 17 Hz , aber auch in einem Bereich von etwa 200 Hz bis etwa 500 Hz . Darüber hinaus kann das Energieversorgungsnetz beispielsweise auch ein Inselnetz sein . Das Inselnetz kann sowohl ein stationäres Netz als auch ein mobiles Netz , beispielsweise ein Energieversorgungsnetz eines Fahrzeugs , insbesondere eines Wasserfahrzeugs , eines Luftfahrzeugs , eines Kraftfahrzeugs oder dergleichen, sein .
Im bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb ist die Elektrolysevorrichtung über die Schaltungsanordnung mit einer geeigneten, für den bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb erforderlichen Gleichspannung beaufschlagt . Die Schaltungsanordnung stellt einen entsprechenden Elektrolysestrom bereit , sodass die Elektrolysezellen der Elektrolysevorrichtung in bestimmungsgemäßer Weise den zu elektrolysierenden Stof f , beispielsweise Wasser, in die Elektrolysebestandteile , bei Wasser zum Beispiel Wasserstof f und Sauerstof f , elektrolysieren kann . Der Energiequellenanschluss der Schaltungsanordnung kann zum Beispiel ein lösbar ausgebildeter Anschluss sein, mit dem die Schaltungsanordnung beziehungsweise die Elektrolyseanlage lösbar mit dem Energieversorgungsnetz elektrisch verbunden werden kann . Der Energiequellenanschluss kann vorzugsweise für eine j eweilige Phase einer mehrphasigen Wechselspannung des Energieversorgungsnetzes eine eigene elektrische Verbindung bereitstellen . Darüber hinaus können j edoch auch weitere Anschlüsse vorgesehen sein, beispielsweise für einen Nullleiter, einen Erdanschluss und/oder dergleichen . Der Energiequellenanschluss kann j edoch auch fest , das heißt , nicht lösbar, ausgebildet sein, beispielsweise bei einer stationären Anlage , mittels der im großen industriellen Umfang ein Elektrolysevorgang realisiert wird .
Das gleiche gilt im Grunde nach auch für den Elektrolysevorrichtungsanschluss , der die Schaltungsanordnung mit der Elektrolysevorrichtung elektrisch verbindet . Auch dieser kann dem Grunde nach lösbar ausgebildet sein . In Anbetracht der in der Regel üblichen großen Leistung ist dieser Anschluss j edoch häufig nicht lösbar ausgebildet . Sowohl der Energiequellenanschluss als auch der Elektrolysevorrichtungsanschluss können zum Beispiel mittels Schraubverbindungen, Schweißverbindungen, Klemmverbindungen und/oder dergleichen realisiert sein .
Die Schaltungsanordnung weist eine Trenneinheit auf , die elektrisch mit dem Energiequellenanschluss gekoppelt ist . Die Trenneinheit kann wenigstens ein elektromechanisches oder elektronisches Schaltelement aufweisen, beispielsweise ein Schütz , einen oder mehrere Thyristoren, einen oder mehrere Transistoren, Kombinationsschaltungen hiervon und/oder dergleichen . Vorzugsweise ist die Trenneinheit unmittelbar mit dem Energiequellenanschluss elektrisch verbunden . Die Trenneinheit weist darüber hinaus einen Wechseltrichteranschluss auf , der zum Anschluss des Wechselrichters dient . Der Wechselrichter ist vorzugsweise angepasst für die Anzahl der Phasen des Energieversorgungsnetzes ausgebildet , sodass auch der Wechselrichteranschluss und der Energiequellenanschluss entsprechend ausgebildet sind .
Die Trenneinheit ist ausgebildet , in einem eingeschalteten Schalt zustand eine elektrische Verbindung zwischen dem Energiequellenanschluss und dem wenigstens einen Wechselrichteranschluss herzustellen . In einem ausgeschalteten Schalt zustand ist die Trenneinheit ausgebildet , die elektrische Verbindung zwischen dem Energiequellenanschluss und dem wenigstens einen Wechselrichteranschlusses zu trennen . Vorzugsweise ist bei einer mehrphasigen Wechselspannung für j ede der Phasen der Wechselspannung wenigstens ein eigenes individuelles Schaltelement vorgesehen . Die Schaltelemente der Trenneinheit sind mittels eines Schaltsignals steuerbar, zum Beispiel ein Einschaltsignal und/oder ein Ausschaltsignal . Dadurch kann die Trenneinheit den j eweiligen Schalt zustand abhängig vom Schaltsignal einnehmen .
Die Schaltungsanordnung weist ferner eine Steuereinheit auf , die dem Steuern des Wechselrichters und der Trenneinheit dient . Die Steuereinheit stellt für die Trenneinheit wenigstens ein Schaltsignal und für den Wechselrichter wenigstens die Steuersignale für die Transistoren bereit , sodass die gewünschte Funktionalität realisiert werden kann . Die Steuereinheit ist vorzugsweise als elektronische Steuereinheit ausgebildet und kann zum Beispiel durch eine Hardwareschaltung, eine programmgesteuerte Rechnereinheit , Kombinationen hiervon oder dergleichen gebildet sein . Die Schaltungsanordnung weist ferner eine Hil fsschaltung auf , die wechselspannungsseitig mit dem Energiequellenanschluss und gleichspannungsseitig mit dem Gleichspannungs zwischenkreis des Wechselrichters elektrisch gekoppelt ist . Die Hil fsschaltung ist ausgebildet , zumindest anhand der über den Energiequellenanschluss bereitgestellten Wechselspannung eine Gleichspannung bereitzustellen und zumindest den Gleichspannungs zwischenkreis zeitlich vor einem Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand auf die vorgebbare elektrische Gleichspannung als Vorladespannung auf zuladen . Die Vorladespannung ist vorzugsweise derart gewählt , dass die Trenneinheit gefahrlos in den eingeschalteten Schalt zustand wechseln kann, ohne dass der Wechselrichter, insbesondere seine Inversdioden beziehungsweise Freilauf dioden, Schaden nehmen .
Zu diesem Zweck kann die Schaltungsanordnung, insbesondere die Hil fsschaltung oder auch die Steuereinheit , einen geeigneten Spannungssensor zum Erfassen der Zwischenkreisgleichspannung aufweisen . Die Steuereinheit kann das entsprechende Sensorsignal des Spannungssensors auswerten und insbesondere zum Steuern der Trenneinheit nutzen . Darüber hinaus kann die Steuereinheit abhängig vom Sensorsignal auch die Hil fsschaltung steuern, beispielsweise indem die Hil fsschaltung deaktiviert wird, sobald die gewünschte Vorladespannung erreicht ist oder dergleichen . Es kann auch vorgesehen sein, dass die Steuereinheit die Hil fsschaltung erst dann aktiviert , wenn neben einem übergeordneten Aktivierungssignal zusätzlich mittels des Spannungssensors erfasst werden kann, dass die Vorladespannung am Gleichspannungs zwischenkreis noch nicht erreicht ist .
Als zumindest teilweise kritisch für eine j eweilige Elektrolysezelle erweist sich unter anderem ein Übergang von oder zu einem vom bestimmungsgemäßen Betriebs zustand verschiedenen Betriebs zustand . Dies bezieht sich insbesondere auf ein Anfahren der Elektrolysezelle beziehungsweise der Elektrolysevorrichtung sowie auch ein Herunterfahren der Elektrolysezelle beziehungsweise der Elektrolysevorrichtung . Besonders beim Herunterfahren im Anschluss an den bestimmungsgemäßen Betrieb können noch Reststof fe , insbesondere Restgase , in der Elektrolysezelle vorhanden sein, die unter Umständen dazu führen können, dass die Elektrolysezelle eine Brennstof f zellenfunktionalität zeigen kann . Hierdurch kann j edoch die Elektrolysezelle irreversibel beschädigt werden, weshalb die Brennstof f zellenfunktionalität unbedingt vermieden werden soll . Zu diesem Zweck wird die Elektrolysezelle außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs mit der Schutzspannung, auch Polarisationsspannung genannt , beaufschlagt , die so gewählt ist , dass die Brennstof f zellenfunktionalität weitgehend vermieden werden kann . Bei einer Elektrolysezelle zum Elektrolysieren von Wasser kann die Schutzspannung zum Beispiel etwa 1 , 25 V betragen . Sobald die Elektrolysezelle entsprechend abgekühlt und Restgase entfernt sind, kann das Bereitstellen der Schutzspannung deaktiviert werden .
Die Hil fsschaltung ist ausgebildet , den Gleichspannungs zwischenkreis im Anschluss an einen Wechsel des Schalt zustandes der Trenneinheit vom eingeschalteten Schalt zustand in den ausgeschalteten Schalt zustand mit einer vorgegebenen, geeigneten Schutzspannung zu beaufschlagen . Dadurch kann die Elektrolysevorrichtung auch nach einem Beenden des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs mit einer elektrischen Gleichspannung, und zwar der Schutzspannung, beaufschlagt werden, sodass unerwünschte gefährliche Zustände von wenigstens einigen der Elektrolysezellen vermieden werden können, wenn beispielsweise in den Elektrolysezellen noch zu elektrolysierende Stof fe oder Elektrolyseprodukte vorhanden sind . Insbesondere kann beim Vorladeprozess vorgesehen sein, dass die Zwischenkreisspannung gemessen und eingestellt wird, zum Beispiel mit einer vorgegebenen Rampe . Im Polarisationsbetrieb wird die Zwischenkreisspannung dagegen zum Beispiel so bereitgestellt , dass die Zellenspannungen der Elektrolysezellen, zum Beispiel bereitgestellt aus einer Zellenspannungsmessung oder berechnet aus einer Stackspannungsmessung, ausgewertet und ein Zellenstrom so lange erhöht wird, bis alle Elektrolysezellen oberhalb der Schutzspannung liegen .
Mit der Erfindung ist es also möglich, eine Schutz funktion für die Elektrolysevorrichtung, insbesondere für deren Elektrolysezellen zu realisieren, ohne dass eine separate zusätzliche Vorrichtung hierfür erforderlich ist . Vielmehr kann die Hil fsschaltung, die unter anderem dem Vorladevorgang dient , dazu genutzt werden, auch die entsprechende Schutz funktionalität für die Elektrolysevorrichtung beziehungsweise deren Elektrolysezellen außerhalb des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs zu realisieren . Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit einen entsprechenden Betriebs zustand außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs zustands bestimmen, der eine Schutz funktionalität erfordert und ein entsprechendes Steuersignal für die Hil fsschaltung bereitstellen, sodass die Hil fsschaltung die Schutzspannung in geeigneter Weise bereitstellt . Die Schutzspannung ist in der Regel abweichend von der Vorladespannung, sodass die Hil fsschaltung hinsichtlich der bereitzustellenden Spannung einstellbar ausgebildet ist . Die Hil fsschaltung realisiert also nicht nur eine bloße Gleichrichterfunktionalität , um elektrische Energie aus dem Energieversorgungsnetz zu nutzen, sondern sie ist in der Lage , diese Energie in Form einer Gleichspannung, die in geeigneter Weise einstellbar ist , bereitzustellen . Beispielsweise kann hierfür ein einstellbarer elektrischer Widerstand genutzt werden, mit dem die gewünschte Einstellung realisiert werden kann .
Darüber hinaus wird j edoch vorgeschlagen, dass die Hil fsschaltung eine Gleichrichterschaltung mit wenigstens einem steuerbaren elektronischen Schaltelement aufweist . Das elektronische Schaltelement kann beispielsweise ein Thyristor oder auch ein Transistor sein, der im Schaltbetrieb betrieben wird . Vorzugsweise ist die Gleichrichterschaltung als Vollbrückenschaltung ausgebildet . In der Vollbrückenschaltung sind besonders bevorzugt sämtliche elektronische Schaltelemente als Thyristoren oder Transistoren ausgebildet . Dadurch ist es möglich, die Zwischenkreisspannung am Gleichspannungs zwischenkreis mittels der Hil fsschaltung nahezu kontinuierlich einzustellen, sodass sowohl die Vorladespannung als auch die Schutzspannung unabhängig voneinander realisierbar sind . Die Hil fsschaltung kann ausgebildet sein, zu einem gegebenen Zeitpunkt entweder nur die Schutzspannung oder nur die Vorladespannung bereitzustellen . Darüber hinaus besteht natürlich auch die Möglichkeit , dass die Hil fsschaltung die Vorladespannung und die Schutzspannung zumindest teilweise zeitgleich bereitstellt und bedarfsgerecht zwischen den bereitzustellenden Spannungen umschaltet . Zu diesem Zweck kann eine entsprechende Umschalteinheit vorgesehen sein, die ebenfalls von der Steuereinheit steuerbar sein kann .
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Steuereinheit ausgebildet ist , zumindest die Hil fsschaltung in einem Vorladebetrieb und einem Schutzbetrieb zu steuern . Dadurch kann auf einfache Weise eine geeignete Steuerfunktionalität realisiert werden .
Es wird ferner vorgeschlagen, dass zumindest die Trenneinheit und der Wechselrichter für einen Betrieb an einer mehrphasigen Wechselspannung des Energieversorgungsnetzes ausgebildet sind .
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Hil fsschaltung einen elektrischen Energiespeicher aufweist . Mit dem Energiespeicher ist es möglich, die Hil fsschaltung zumindest zeitweise unabhängig von der Verfügbarkeit von elektrischer Energie des Energieversorgungsnetzes zu betreiben . Dies ist insbesondere von dann Vorteil , wenn das Energieversorgungsnetz instabil ist und während des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs Störungen, insbesondere Versorgungsaus fälle , auftreten können . Wie bereits erläutert , kann dies für die Elektrolysevorrichtung nachteilig sein . Durch den Energiespeicher ist es mittels der Hil fsschaltung möglich, insbesondere die Schutzspannung unabhängig von der Verfügbarkeit des Energieversorgungsnetzes bereitzustellen, sodass die Schutzspannung auch bei einem plötzlichen Energieaus fall mittels der Hil fsschaltung in zuverlässiger Weise bereitgestellt werden kann . Dies erweist sich als besonders vorteilhaft , wenn die Bereitstellung von elektrischer Energie über das Energieversorgungsnetz plötzlich schwankt und aus fällt . Die Hil fsschaltung kann in diesem Fall nahezu unverzüglich die erforderliche Schutzspannung bereitstellen . Der elektrische Energiespeicher kann beispielsweise ein Akkumulator oder dergleichen sein . Der Energiespeicher kann j edoch auch einen elektromechanischen Generator, der beispielsweise mittels einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben ist , eine Brennstof f zellenvorrichtung, oder dergleichen umfassen .
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Vorladespannung und die Schutzspannung voneinander unterschiedlich sind . Die Vorladespannung und die Schutzspannung können somit im Wesentlichen unabhängig voneinander vorgegeben und bereitgestellt werden . Vorzugsweise bedarf es wenigstens eines geeigneten Steuersignals , welches vorzugsweise von der Steuereinheit bereitgestellt sein kann, und anhand welchen die Hil fsschaltung entweder die Vorladespannung oder die Schutzspannung bereitstellt . Natürlich kann auch vorgesehen sein, dass die Schutzspannung und die Vorladespannung durch die Hil fsschaltung selbst bestimmt sind, beispielsweise fest eingestellt sein können, und mittels der Steuereinheit lediglich ein Steuersignal bereitgestellt wird, welches der Hil fsschaltung vorgibt , die Vorladespannung oder die Hil fsspannung bereitzustellen . Dem Grunde nach besteht natürlich auch die Möglichkeit , dass die Hil fsschaltung außerhalb der bestimmungsgemäßen Funktion der Bereitstellung der Vorladespannung und der Schutzspannung deaktiviert werden kann . Hierzu kann die Steuereinheit zum Beispiel ein geeignetes Deaktivierungssignal für die Hil fsschaltung bereitstellen .
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit ein Aktivierungssignal zum Aktivieren des Elektrolysebetriebs empfängt und abhängig vom Empfangen des Aktivierungssignals zunächst die Hil fsschaltung zum Bereitstellen der Vorladespannung aktiviert und anschließend einen Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand auslöst . Das Aktivierungssignal kann von einer übergeordneten Steuerung der Elektrolyseanlage oder dergleichen kommen . Das Aktivierungssignal kann zum Beispiel durch einen Leitstand bereitgestellt sein . Die Steuereinheit wertet das Aktivierungssignal aus und bestimmt vorzugsweise einen Einschaltzeitpunkt beziehungsweise einen Einschaltzeitraum für den Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand . Abhängig von diesem Zeitpunkt beziehungsweise Zeitraum wird die Hil fsschaltung vorzugsweise zeitlich vorher so angesteuert , dass die Hil fsschaltung die Vorladespannung bis zum vorgegeben Zeitpunkt beziehungsweise Zeitraum bereitzustellen vermag . Dadurch kann ein zuverlässiger Betrieb insbesondere beim Wechseln der Trenneinheit vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand erreicht werden . I st der Gleichspannungs zwischenkreis nicht vollständig entladen, kann vorgesehen sein, dass dies mittels des Spannungssensors erfasst und für die Bestimmung der Aktivierung der Hil fsschaltung berücksichtig wird . Dadurch kann - abhängig vom Ladungs zustand des Gleichspannungs zwischenkreises - ein angepasster Zeitversatz zwischen dem Aktivieren der Hil fsschaltung zum Bereitstellen der Vorladespannung und dem Auslösen des Wechselns des Schalt zustands der Trenneinheit erreicht werden .
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Schutzspannung durch die Hil fsschaltung für einen vorgegebenen Zeitraum bereitgestellt wird und das Bereitstellen im Anschluss an den vorgegeben Zeitraum beendet wird . Es kann vorgesehen sein, dass die Hil fsschaltung die Vorladespannung für den vorgegebenen Zeitraum bereitstellt . Nach Ablauf des vorgegebenen Zeitraums kann die Hil fsschaltung dann deaktiviert werden, um das Bereitstellen der vorgegebenen Vorladespannung zu beenden . Die Hil fsschaltung braucht deshalb während des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs nicht dauerhaft in Betrieb zu sein . Vielmehr kann sie beispielsweise bereits mit dem Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit deaktiviert werden . Die Deaktivierung kann auch kurz nach dem Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit erfolgen, um zum Beispiel eine gewisse zeitliche Redundanz zur Verfügung zu haben .
Die für das erfindungsgemäße Verfahren angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten natürlich gleichermaßen auch für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und die erfindungsgemäße Elektrolyseanlage und umgekehrt . Insofern können Verfahrensmerkmale auch als Vorrichtungsmerkmale und umgekehrt formuliert sein .
Für Anwendungs fälle oder Anwendungssituationen, die sich bei dem Verfahren ergeben können und die hier nicht expli zit beschrieben sind, kann vorgesehen sein, dass gemäß dem Verfahren eine Fehlermeldung und/oder eine Auf forderung zur Eingabe einer Nutzerrückmeldung ausgegeben und/oder eine Standardeinstellung und/oder ein vorbestimmter Initial zustand eingestellt wird .
Unabhängig vom grammatikalischen Geschlecht eines bestimmten Begri f fes sind Personen mit männlicher, weiblicher oder anderer Geschlechteridentität mit umfasst .
Bei den im Folgenden erläuterten Aus führungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Aus führungs formen der Erfindung . Die vorhergehend in der Beschreibung angegebenen Merkmale , Merkmalskombinationen sowie auch die in der folgenden Beschreibung von Aus führungsbeispielen genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der j eweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar . Es sind somit auch Aus führungen von der Erfindung umfasst beziehungsweise als of fenbart anzusehen, die in den Figuren nicht expli zit gezeigt und erläutert sind, j edoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Aus führungs formen hervorgehen und erzeugbar sind . Die anhand der Aus führungsbeispiele dargestellten Merkmale , Funktionen und/oder Wirkungen können für sich genommen j eweils einzelne , unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale , Funktionen und/oder Wirkungen der Erfindung darstellen, welche die Erfindung j eweils auch unabhängig voneinander weiterbilden . Daher sollen die Aus führungsbeispiele auch andere Kombinationen als die in den erläuterten Aus führungs formen umfassen . Darüber hinaus können die beschriebenen Aus führungs formen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale , Funktionen und/oder Wirkungen der Erfindung ergänzt sein .
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugs zeichen gleiche Merkmale und Funktionen .
Es zeigen :
FIG 1 eine schematische Schaltbilddarstellung einer an einem Energieversorgungsnetz angeschlossenen Elektrolyseanlage zum Elektrolysieren von Wasser ; und
FIG 2 eine schematische Schaltbilddarstellung einer an einem Energieversorgungsnetz angeschlossenen Elektrolyseanlage zum Elektrolysieren von Wasser, die eine Hil fsschaltung aufweist .
FIG 1 zeigt in einer schematischen Schaltbilddarstellung eine Elektrolyseanlage 10 , die über eine erste Schaltungsanordnung 50 an ein Energieversorgungsnetz 14 angeschlossen ist , welches eine dreiphasige Wechselspannung bereitstellt . Im vorliegenden Fall ist die dreiphasige Wechselspannung eine Spannung mit einem Ef fektivwert von etwa 900 V bei einer Frequenz von etwa 50 Hz . Die erste Schaltungsanordnung 50 dient dazu, die Elektrolysevorrichtung 12 in einem bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb mit elektrischer Energie zu versorgen . Die Elektrolysevorrichtung 12 dient vorliegend der Elektrolyse von Wasser zu Wasserstof f und Sauerstof f und weist eine Viel zahl von nicht weiter dargestellten Elektrolysezellen auf , die zumindest teilweise in Reihe geschaltet sind .
Das Energieversorgungsnetz 14 stellt vorliegend die dreiphasige Wechselspannung bereit . Die Schaltungsanordnung 50 weist einen Energiequellenanschluss 18 auf , an dem das Energieversorgungsnetz 14 , das heißt , die vorliegend drei Phasen des Energieversorgungsnetzes 14 , angeschlossen sind . Darüber hinaus weist die Schaltungsanordnung 50 einen Elektrolysevorrichtungsanschluss 20 auf , an dem die Elektrolysevorrichtung 12 angeschlossen ist .
Ferner weist die Schaltungsanordnung 50 eine Trenneinheit 22 auf , die am Energiequellenanschluss 18 angeschlossen ist . Die Trenneinheit 22 weist darüber hinaus einen Wechselrichteranschluss 24 auf . Die Trenneinheit 22 ist ausgebildet , in einem eingeschalteten Schalt zustand eine elektrische Verbindung zwischen dem Energiequellenanschluss 18 und dem Wechselrichteranschluss 24 herzustellen und in einem ausgeschalteten Schalt zustand die elektrische Verbindung zwischen dem Energiequellenanschluss 18 und dem Wechselrichteranschluss 24 zu trennen . Der Energiequellenanschluss 18 und der Wechselrichteranschluss 24 sind vorliegend für einen Betrieb an der dreiphasigen Wechselspannung angepasst ausgebildet . Zu diesem Zweck weist die Trenneinheit 22 im Übrigen für j ede der Phasen der Wechselspannung ein j eweiliges elektromechanisches Schaltelement in Form eines Schützes auf . Die Schaltungsanordnung 50 weist ferner einen transistorbasierten Wechselrichter 28 auf , der einen Gleichspannungs zwischenkreis 26 und einen mit dem Wechselrichteranschluss 24 elektrisch verbundenen Wechselspannungsanschluss 30 aufweist . Der Wechselrichter 28 ist vorliegend ebenfalls für einen Betrieb an einer dreiphasigen Wechselspannung ausgelegt . Der Wechselrichter 28 weist zum Zwecke der Energieumformungs funktionalität hierfür drei j eweilige Halbrückenschaltungen aus j eweiligen Transistoren 54 auf , die am Gleichspannungs zwischenkreis 26 parallelgeschaltet angeschlossen sind . Zu j edem Transistor 54 ist eine j eweilige Inversdiode 56 parallelgeschaltet . Mittelabgri f fe der j eweiligen Halbbrückenschaltungen sind über j eweilige Induktivitäten 52 an j eweilige Phasenanschlüsse des Wechselspannungsanschlusses 30 angeschlossen . In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Transistoren 54 durch MOSFET gebildet sein können . In alternativen Ausgestaltungen können hier natürlich auch andere Transistoren zum Einsatz kommen, beispielsweise bipolare Transistoren, Feldef fekttransistoren oder dergleichen .
Sowohl die Schaltelemente 58 der Trenneinheit 22 als auch die Transistoren 54 des Wechselrichters 28 können durch geeignete Steuersignale einer Steuereinheit 32 betrieben werden . Im vorliegenden Fall ist der Wechselrichter 28 als 2-Pegel- Wechselrichter ausgebildet und die Steuersignale für die Transistoren 54 der Steuereinheit 32 dienen der Realisierung einer j eweiligen Pulsweitenmodulation für einen j eweilige der Phasen der Wechselspannung . Das Funktionsprinzip der Pulsweitenmodulation bei einem Wechselrichter ist dem Fachmann bekannt , weshalb von weiteren Aus führungen hierzu vorliegend abgesehen wird . Die Steuereinheit 32 ist Bestandteil der Elektrolyseanlage 10 , vorzugsweise der Schaltungsanordnung 50 .
Der Wechselrichter 28 wird vorliegend als Netzwechselrichter betrieben . Mittels des Wechselrichters 28 kann eine Gleichrichterfunktionalität realisiert werden, um den Gleichspannungs zwischenkreis 26 auf eine vorgegebene Gleichspannung für den bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb auf zuladen . Zu diesem Zweck weist der Gleichspannungs zwischenkreis 26 einen elektrischen Kondensator 60 auf .
Während des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs ist die Trenneinheit 22 im eingeschalteten Schalt zustand, sodass der Wechselrichter 28 als Netzwechselrichter mit den j eweiligen Phasen der Wechselspannung des Energieversorgungsnetzes 14 elektrisch verbunden ist . Durch geeigneten Betrieb der Transistoren 54 wird am Gleichspannungs zwischenkreis 26 eine Zwischenkreisgleichspannung bereitgestellt , die in einem eingeschalteten Schalt zustand einer Schalteinheit 62 auf die Elektrolysevorrichtung 12 gegeben wird . Über die Schalteinheit 62 , die ebenfalls elektromechanische Schaltelemente oder elektronische Schaltelemente aufweisen kann, kann die Elektrolysevorrichtung 12 elektrisch von der Schaltungsanordnung 50 getrennt werden . Die Schaltelemente der Schalteinheit 62 können dem Grunde nach wie bei der Trenneinheit 22 ausgebildet sein .
Soll die Elektrolysevorrichtung 12 über die Schaltungsanordnung 50 mit elektrischer Energie versorgt werden und ist der Gleichspannungs zwischenkreis 26 beziehungsweise dessen Kondensator 60 entladen, würde ein Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit 22 vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand dazu führen, dass die Phasen der Wechselspannung über die Inversdioden 56 unmittelbar auf den Kondensator 60 einwirken und einen großen Stromfluss , beispielsweise nach Art eines Kurzschlusses , verursachen können . Dadurch können die Inversdioden 56 überlastet werden, und es besteht die Gefahr der Zerstörung .
Um diesen Missstand zu beheben, weist die Elektrolyseanlage
10 eine Vorladeschaltung 46 auf , die einerseits an die Energiequellenanschlüsse 18 und andererseits an den Gleichspannungs zwischenkreis 26 angeschlossen ist . Die Vorladeschaltung 46 weist eine weitere Trenneinheit 40 auf , die vorliegend ebenfalls elektromechanische Schaltelemente nach Art eines Schützes aufweist . Die Trenneinheit 40 ist über elektrische Widerstände 42 für eine j eweilige der Phasen an eine Wechselspannungsseite eines dreiphasigen Brückengleichrichters 48 angeschlossen . Der dreiphasige Brückengleichrichter 48 weist Dioden 44 auf . Gleichspannungsseitig ist der Brückengleichrichter 48 an den Gleichspanungs zwischenkreis 26 angeschlossen . Vorliegend ist vorgesehen, dass die Vorladeschaltung 46 an alle drei Phasen der Wechselspannung angeschlossen ist . In alternativen Ausgestaltungen kann dagegen vorgesehen sein, dass die Vorladeschaltung 46 an wenigstens eine der drei Phasen der Wechselspannung angeschlossen ist .
Zur Inbetriebnahme des Wechselrichters 28 ist nunmehr vorgesehen, dass zunächst die Trenneinheit 40 mittels eines entsprechenden Vorladeeinschaltsignals der Steuereinheit 32 in den eingeschalteten Schalt zustand geschaltet wird, bevor die Trenneinheit 22 in den geschalteten Schalt zustand wechselt . Dadurch kann die Wechselspannung des Energieversorgungsnetzes 14 über die elektrischen Widerstände 42 und den Brückengleichrichter 48 den Gleichspannungs zwischenkreis 26 auf eine Vorladespannung aufladen . Die Vorladespannung ist vorzugsweise so gewählt , dass ein Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit 22 in den eingeschalteten Schalt zustand den vorgenannten Nachteil beim Einschalten des Wechselrichters 28 vermeidet . Vorzugsweise ist die Vorladespannung im Wesentlichen entsprechend etwa einer Amplitude der Wechselspannung des Energieversorgungsnetzes 14 gewählt .
Sobald die Vorladespannung am Gleichspannungs zwischenkreis 26 erreicht ist , kann mittels der Steuereinheit die Trenneinheit 22 entsprechend angesteuert werden, sodass diese in den eingeschalteten Schalt zustand wechselt und somit den Wechselrichter 28 mit dem Energieversorgungsnetz 14 elektrisch koppelt .
Nachdem die Kopplung zwischen dem Energieversorgungsnetz 14 und dem Wechselrichter 28 hergestellt ist , kann die Steuereinheit 32 die Vorladeschaltung 46 bei Bedarf deaktivieren, indem die Trenneinheit 40 entsprechend mit einem Vorladeabschaltsignal angesteuert wird, sodass die Trenneinheit 40 in den ausgeschalteten Schalt zustand wechselt .
Die Vorladeschaltung 46 ermöglicht es zwar, eine Vorladefunktionalität für den Gleichspannungs zwischenkreis 26 zu realisieren, j edoch eignet sich diese Schaltung nicht dazu, auch eine Schutzspannung für die Elektrolysevorrichtung 12 bereitzustellen, um beispielsweise ein Anfahren des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs beziehungsweise ein Herunterfahren nach beenden des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs der Elektrolysevorrichtung 12 zu ermöglichen . Hierzu bedürfte es einer von der Vorladespannung abweichenden Schutzspannung .
FIG 2 zeigt in einer weiteren schematischen Schaltbilddarstellung wie FIG 1 eine schematische Schaltbilddarstellung einer Elektrolyseanlage 10 mit einer Schaltungsanordnung 16 anstelle der Schaltungsanordnung 50 , bei der eine Hil fsschaltung 34 anstelle der Vorladeschaltung 46 installiert ist und mit deren Hil fe es möglich ist , sowohl die Vorladefunktionalität als auch die Schutz funktionalität realisieren zu können . Auch die Hil fsschaltung 34 ist vorliegend hierzu an die Steuereinheit 32 angeschlossen, um entsprechend gesteuert werden zu können . Die Hil fsschaltung 34 ist vorzugsweise Bestandteil der Schaltungsanordnung 16 .
Die Ausgestaltung gemäß FIG 2 basiert auf der Ausgestaltung gemäß FIG 1 , weshalb im Folgenden lediglich die Unterschiede zur Ausgestaltung gemäß FIG 1 erläutert werden . Die Schaltungsanordnung 16 gemäß FIG 2 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung 50 gemäß FIG 1 dadurch, dass die Vorladeschaltung 46 durch die Hil fsschaltung 34 ersetzt ist . Darüber hinaus unterscheidet sich die Hil fsschaltung 34 von der Vorladeschaltung 46 dadurch, dass die Widerstände 42 und der Brückengleichrichter 48 durch eine Gleichrichterschaltung 36 ersetzt ist , die im Wesentlichen ebenfalls einer Schaltungsstruktur einer dreiphasigen Brückenschaltung basiert , bei der j edoch die Dioden des Brückengleichrichters 48 durch Thyristoren 38 ersetzt sind . Die Thyristoren 38 werden durch geeignete Steuersignale der Steuereinheit 32 gesteuert .
Durch die Nutzung von Thyristoren und die Weglassung der elektrischen Widerstände 42 ist es möglich, nicht nur die Vorladespannung mit der Hil fsschaltung 34 bereitzustellen, sondern darüber hinaus auch eine entsprechende Schutzspannung für eine Schutz funktionalität der Elektrolysevorrichtung 12 außerhalb des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs zu realisieren . Zu diesem Zweck können die Thyristoren 38 entsprechend angesteuert werden, sodass der Kondensator 60 des Gleichspannungs zwischenkreises 26 sukzessive mit möglichst kleinen Spannungsdi f ferenzen zwischen j eweiligen Zündzeitpunkten anliegenden Spannungswerten und einer aktuellen Zwischenkreisgleichspannung aufgeladen werden kann . Dadurch ist es möglich, die Vorladespannung am Gleichspannungs zwischenkreis 26 auf einfache Weise zu erreichen . Durch die Nutzung der Thyristoren 38 ist es darüber hinaus möglich, den Auf ladevorgang zu verkürzen und so einen möglichst ef fi zienten kurzen Auf ladevorgang zu realisieren . Dies kann mit vergleichsweise geringem Hardware- Aufwand erreicht werden .
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit , dass nach einem Deaktivieren des Wechselrichters 28 und einem Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit 22 vom eingeschalteten Schalt zustand in den ausgeschalteten Schalt zustand mittels geeigneter Steuersignale für die Thyristoren 38 eine geeignete Schutzspannung für die Elektrolysevorrichtung 12 bereitgestellt werden kann, sodass die eingangs erwähnten Probleme beim Herunterfahren der Elektrolyseanlage 10 nach Beenden des bestimmungsgemäßen Elektrolysevorgangs vermieden werden können .
Darüber hinaus kann mit der Hil fsschaltung 34 zum Beispiel auch ein Anfahren der Elektrolysevorrichtung 12 realisiert werden, in dem eine geeignete Schutzspannung bereitgestellt wird, bevor die Trenneinheit 22 vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand wechselt . Hierzu kann vorgesehen sein, dass , sobald die Steuereinheit 32 einen Zeitpunkt für den Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit 22 vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand bestimmt hat , kurz zeitlich vor diesem Zeitpunkt mittels der Hil fsschaltung 34 ein Vorladen des Gleichspannungs zwischenkreises auf die Vorladespannung realisiert werden kann . Mit der Hil fsschaltung 34 kann dies zeitlich sehr schnell erfolgen, sodass negative Auswirkungen auf die Elektrolysevorrichtung 12 weitgehend vermieden werden können . Sobald die Vorladespannung erreicht ist , wird mittels eines geeigneten Einschaltsignals der Steuereinheit 32 der Schalt zustand der Trenneinheit 22 gewechselt , sodass der eingeschaltete Schalt zustand eingenommen wird . Durch Aktivieren des Wechselrichters 28 kann dann die gewünschte Energieversorgungs funktionalität für den bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb aufgenommen werden, sodass der be stimmungs gemäße Elektrolysebetrieb durch die Elektrolysevorrichtung 12 realisiert werden kann .
Mittels der erfindungsgemäßen Hil fsschaltung 34 ist es somit möglich, eine Schutzspannung nicht nur nach einem Beenden des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs bereitzustellen, sondern dies auch bereits für ein Anfahren der Elektrolysevorrichtung 12 zur Aufnahme des bestimmungsgemäßen Elektrolysebetriebs zu realisieren . Dabei kann dies mit einem begrenzten Aufwand kostengünstig realisiert werden . Die Aus führungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken .

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung (16) zum elektrischen Koppeln einer Elektrolysevorrichtung (12) mit einem eine Wechselspannung nutzenden Energieversorgungsnetz (14) , um die Elektrolysevorrichtung (12) in einem bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb mit elektrischer Energie zu versorgen, mit
- einem Energiequellenanschluss (18) zum elektrischen Anschließen an das Energieversorgungsnetz (14) ,
- einem Elektrolysevorrichtungsanschluss (20) zum Anschließen an die Elektrolysevorrichtung (12) ,
- einer mit dem Energiequellenanschluss (18) elektrisch gekoppelten Trenneinheit (22) , die wenigstens einen Wechselrichteranschluss (24) aufweist, wobei die Trenneinheit (22) ausgebildet ist, in einem eingeschalteten Schalt zustand eine elektrische Verbindung zwischen dem Energiequellenanschluss (18) und dem wenigstens einen Wechselrichteranschluss (24) herzustellen und in einem ausgeschalteten Schalt zustand die elektrische Verbindung zwischen dem Energiequellenanschluss (18) und dem wenigstens einen Wechselrichteranschluss (24) zu trennen,
- einem einen Gleichspannungszwischenkreis (26) aufweisenden Wechselrichter (28) , wobei der Wechselrichter (28) wenigstens einen mit dem wenigstens einen Wechselrichteranschluss (24) elektrisch gekoppelten Wechselspannungsanschluss (30) aufweist,
- einer Steuereinheit (32) zumindest zum Steuern des Wechselrichters (28) und der Trenneinheit (22) , wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, die Trenneinheit (22) und den Wechselrichter (28) zu steuern, und
- einer mit dem Energiequellenanschluss (18) und dem Gleichspannungszwischenkreis (26) elektrisch gekoppelten Hilfsschaltung (34) , die ausgebildet ist, zumindest den Gleichspannungszwischenkreis (26) zeitlich vor einem Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit (22) vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand auf eine vorgebbare elektrische Gleichspannung als Vorladespannung aufzuladen, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsschaltung (34) ausgebildet ist, den Gleichspannungszwischenkreis (26) im Anschluss an einen Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit (22) vom eingeschalteten Schalt zustand in den ausgeschalteten Schalt zustand mit einer vorgegebenen, geeigneten Schutzspannung zu beaufschlagen.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsschaltung (34) eine Gleichrichterschaltung (36) mit wenigstens einem steuerbaren elektronischen Schaltelement (38) aufweist.
3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit
(32) ausgebildet ist, zumindest die Hilfsschaltung (34) in einem Vorladebetrieb und einem Schutzbetrieb zu steuern.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Trenneinheit (22) und der Wechselrichter (28) für einen Betrieb an einer mehrphasigen Wechselspannung des Energieversorgungsnetzes (14) ausgebildet sind.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsschaltung
(34) einen elektrischen Energiespeicher aufweist.
6. Elektrolyseanlage (10) mit einer Elektrolysevorrichtung (12) und einer Schaltungsanordnung (16) zum elektrischen Koppeln der Elektrolysevorrichtung (12) mit einem eine Wechselspannung nutzenden Energieversorgungsnetz (14) , um die Elektrolysevorrichtung (12) in einem bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb mit elektrischer Energie zu versorgen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
7. Verfahren zum elektrischen Koppeln einer Elektrolysevorrichtung (12) mit einem eine Wechselspannung nutzenden Energieversorgungsnetz (14) mittels einer Schaltungsanordnung (16) , um die Elektrolysevorrichtung (12) in einem bestimmungsgemäßen Elektrolysebetrieb mit elektrischer Energie zu versorgen, wobei
- eine Trenneinheit (22) der Schaltungsanordnung (16) in einem eingeschalteten Schalt zustand eine elektrische Verbindung zwischen dem Energieversorgungsnetz (14) und einem Wechselrichter (28) der Schaltungsanordnung (16) herstellt und in einem ausgeschalteten Schalt zustand die elektrische Verbindung zwischen dem Energieversorgungsnetz (14) und dem Wechselrichter (28) trennt, wobei ein Gleichspannungszwischenkreis (26) des Wechselrichters (28) mit der Elektrolysevorrichtung (12) elektrisch gekoppelt ist,
- eine Steuereinheit (32) zumindest die Trenneinheit (22) und den Wechselrichter (28) steuert, und
- eine mit dem Energieversorgungsnetz (14) und dem Gleichspannungszwischenkreis (26) elektrisch gekoppelte Hilfsschaltung (34) zumindest den Gleichspannungszwischenkreis (12) zeitlich vor einem Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit (22) vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand auf eine vorgegebene elektrische Gleichspannung als Vorladespannung auf lädt , dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsschaltung (34) den Gleichspannungszwischenkreis (26) im Anschluss an einen Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit (22) vom eingeschalteten Schalt zustand in den ausgeschalteten Schalt zustand mit einer vorgegebenen, geeigneten Schutzspannung beaufschlagt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladespannung und die Schutzspannung voneinander unterschiedlich sind.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (32) ein Aktivierungssignal zum Aktivieren des Elektrolysebetriebs empfängt und abhängig vom Empfangen des Aktivierungssignals zunächst die Hilfsschaltung (34) zum Bereitstellen der Vorladespannung aktiviert und anschließend einen Wechsel des Schalt zustands der Trenneinheit (22) vom ausgeschalteten Schalt zustand in den eingeschalteten Schalt zustand auslöst.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzspannung durch die Hilfsschaltung (34) für einen vorgegebenen Zeitraum bereitgestellt wird und das Bereitstellen im Anschluss an den vorgegebenen Zeitraum beendet wird.
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