DE102022125719A1

DE102022125719A1 - Verfahren zum betrieb eines leistungswandlers, steuereinheit und elektrolyseanlage

Info

Publication number: DE102022125719A1
Application number: DE102022125719.3A
Authority: DE
Inventors: Alexander Unru; Marcel Kratochvil; Mohamed Khshainy
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2022-10-05
Filing date: 2022-10-05
Publication date: 2024-04-11

Abstract

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungswandlers, welcher eingerichtet ist, elektrische Leistung in stromstellendem Betrieb zwischen einer Wechselspannungsseite und einer Gleichspannungsseite zu übertragen, und welcher einen auf der Gleichspannungsseite angeordneten Gleichspannungszwischenkreis aufweist, wobei der Leistungswandler einen Ist-Gleichstrom einstellt und wobei in einem ersten Betriebsmodus eine Zwischenkreisspannung zwischen einer oberen Schwelle und einer unteren Schwelle gehalten wird, und wobei in einem zweiten Betriebsmodus zumindest eine der Schwellen so verändert wird, dass sich die Differenz zwischen der oberen und der unteren Schwelle gegenüber dem ersten Betriebsmodus verändert.Die Anmeldung betrifft weiter eine Steuereinheit und eine Elektrolyseanlage.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungswandlers, eine Steuereinheit zum Betrieb des Leistungswandlers sowie eine Elektrolyseanlage mit Leistungswandler, Steuereinheit und Elektrolyseur.
STAND DER TECHNIK
In der DE102020112880 wird ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs mit zwei Betriebszuständen beschrieben. Es ist ein Normalbetrieb mit einer Eingangsspannung am Elektrolyseur größer als die Leerlaufspannung des Elektrolyseurs vorgesehen. Im Normalbetrieb wird der Elektrolyseur über einen Leistungswandler aus einem AC-Netz (AC: engl. alternating current, Wechselstrom/Wechselspannung) mit elektrischer Leistung versorgt und es findet ein Leistungsumsatz im Elektrolyseur statt. Weiter ist ein Stand-By-Betrieb vorgesehen, bei dem eine Elektrolyseur-Eingangsspannung unterhalb der Leerlaufspannung gehalten wird. Die Elektrolyseur-Eingangsspannung im Stand-By-Betrieb wird über eine getaktete Vorladeschaltung zwischen Leistungswandler und Elektrolyseur eingestellt.
Ein Leistungswandler in einer Elektrolyseanlage kann stromgeregelt betrieben werden, d.h. der Leistungswandler stellt den Strom, der dem AC-Netz entnommen und dem Elektrolyseur zugeführt wird, basierend auf einem Sollwert für den Strom oder die Leistung des Elektrolyseurs ein, wobei der Sollwert vom Elektrolyseur oder einer übergeordneten Steuereinheit vorgegeben wird. Die DC-Spannung (DC: engl. direct current, Gleichstrom/Gleichspannung) am Elektrolyseur stellt sich dann anhand der gegebenen Strom-Spannungs-Kennlinie des Elektrolyseurs ein. Dies wird als stromgeregelter Betrieb oder auch als stromstellender Betrieb bezeichnet. Übergeordnet ist eine Steuereinheit zum Beispiel, wenn sie mehr als eine Einheit der Elektrolyseanlage steuert oder regelt.
Leistungswandler in Elektrolyseanlagen können einen Spannungszwischenkreis auf einer DC-Seite des Leistungswandlers aufweisen. Es können DC-Schalter, insbesondere DC-Relais, zwischen Leistungswandler und Elektrolyseur vorgesehen sein, welche insbesondere aus normativen Gründen vorgeschrieben und darauf ausgelegt sein können, den Nennstrom des Elektrolyseurs zu trennen. Im Normalbetrieb mit geschlossenen DC-Schaltern entspricht die Zwischenkreisspannung dann der Eingangsspannung des Elektrolyseurs.
Wird während des Betriebs, also während des Transfers elektrischer Leistung aus dem AC-Netz über den Leistungswandler an den Elektrolyseur, die DC-Verbindung zwischen Elektrolyseur und Zwischenkreis getrennt, insbesondere durch Öffnen der DC-Schalter, so ist es möglich, dies dem Leistungswandler vorab kommunikativ mitzuteilen. Dies ist z. B. möglich, wenn die DC-Trennung vorher bekannt ist, also z. B. planmäßig durchgeführt wird, und/oder manuell mit entsprechenden Vorbereitungsschritten durchgeführt wird. Nach vorheriger kommunikativer Mitteilung an den Leistungswandler kann dieser seine Betriebsweise entsprechend anpassen und/oder insbesondere abschalten.
Wenn die DC-Trennung jedoch ohne vorherige Mitteilung an den Leistungswandler stattfindet, so kann sich der Leistungswandler zum Zeitpunkt der Trennung im Normalbetriebsmodus befinden, in dem elektrische Leistung von seiner AC-Seite auf seine DC-Seite mit dem Zwischenkreis transferiert wird. Bleibt der Leistungswandler nach einer Trennung vom Elektrolyseur in diesem Betriebsmodus, so transferiert der Leistungswandler weiterhin Strom im stromstellenden Betrieb gemäß des Stromsollwertes des Elektrolyseurs vom Wechselspannungsnetz auf seine DC-Seite. Da die elektrische Leistung aufgrund der DC-seitigen Trennung nicht mehr in den Elektrolyseur abfließen kann, wird elektrische Ladung im Spannungszwischenkreis des Leistungswandlers akkumuliert, was zum Anstieg der Zwischenkreisspannung führt und zur Zerstörung des Leistungswandlers führen kann.
AUFGABE
Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Steuereinheit anzugeben, welche den sicheren und zuverlässigen Betrieb eines Leistungswandlers verbessern.
LÖSUNG
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Steuereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben, insbesondere beschreibt Anspruch 14 eine Ausführungsform, in der die Steuereinheit Bestandteil einer Elektrolyseanlage ist.
BESCHREIBUNG
Ein Leistungswandler ist eingerichtet, elektrische Leistung in stromstellendem Betrieb zwischen einer Wechselspannungsseite, AC-Seite, und einer Gleichspannungsseite, DC-Seite, zu übertragen. Der Leistungswandler stellt dabei einen Ist-Gleichstrom ein. Der Leistungswandler weist weiter einen Gleichspannungszwischenkreis auf seiner Gleichspannungsseite auf.
Bei einem Verfahren zum Betrieb des Leistungswandlers wird in einem ersten Betriebsmodus eine Zwischenkreisspannung zwischen einer oberen Schwelle und einer unteren Schwelle gehalten. In einem zweiten Betriebsmodus wird zumindest eine der Schwellen so verändert, dass sich die Differenz zwischen der oberen und der unteren Schwelle gegenüber dem ersten Betriebsmodus verändert.
Der Zwischenkreis weist eine Kapazität, zum Beispiel einen Kondensator auf, an dem die Zwischenkreisspannung anliegt. Der Leistungswandler, der elektrische Leistung zwischen der Wechselspannungsseite (AC-Seite) und der Gleichspannungsseite (DC-Seite) überträgt, wird insbesondere als Gleichrichter betrieben. Auf seiner Wechselspannungsseite ist dabei zum Beispiel ein AC-Netz, wie z. B. ein AC-Versorgungsnetz, anschließbar, aus dem die elektrische Leistung bezogen werden kann. Im stromstellenden Betrieb stellt der Leistungswandler den Strom auf seiner DC-Seite ein, d. h. er prägt ihn auf seiner DC-Seite ein und versorgt auf seiner DC-Seite anschließbare Abnehmer elektrischer Leistung, z. B. DC-Geräte, mit elektrischer Leistung in der eingestellten Stromstärke. Die Zwischenkreisspannung entspricht dabei der DC-Ausgangsspannung des Leistungswandlers. Die Zwischenkreisspannung entspricht dabei auch der Eingangsspannung, welche an einem an der DC-Seite des Leistungswandlers angeschlossenen DC-Gerät anliegt. Die Zwischenkreisspannung wird dabei in dem Bereich zwischen oberer und unterer Schwelle, in einem sogenannten Totband, gehalten. Dieses Totband kann so gewählt sein, dass die Zwischenkreisspannung insbesondere im ersten Betriebsmodus in einem Bereich gehalten wird, in dem das DC-Gerät zuverlässig betrieben werden kann, also beispielsweise dem Eingangsspannungsbereich eines anschließbaren Elektrolyseurs entsprechen.
Ist auf der DC-Seite des Leistungswandlers zum Beispiel ein Elektrolyseur angeschlossen, so könnte im ersten Betriebsmodus zum Beispiel die untere Schwelle für die Zwischenkreisspannung der Leerlaufspannung des Elektrolyseurs entsprechen. Die obere Schwelle im ersten Betriebsmodus könnte zum Beispiel so gewählt sein, dass sie der zulässigen Maximalspannung des Elektrolyseurs entspricht, so dass der Nennleistungs-Arbeitspunkt des Elektrolyseurs in dem Totband innerhalb der oberen und der unteren Schwelle der Zwischenkreisspannung liegt.
Im zweiten Betriebsmodus kann eine der Schwellen so verändert werden, dass die Differenz zwischen der oberen und unteren Schwelle gegenüber dem ersten Betriebsmodus verändert wird. Dies kann zum Beispiel dazu dienen, ein auf der DC-Seite des Leistungswandlers angeschlossenes DC-Gerät in einem anderen Bereich der an seinem Eingang anliegenden DC-Spannung zu betreiben. Dies kann zum Beispiel aus Sicherheits- oder Wartungsgründen erwünscht sein. Im zweiten Betriebsmodus kann also die DC-Ausgangsspannung des Leistungswandlers gegenüber dem ersten Betriebsmodus in einem anderen Bereich liegen und dabei z. B. auf einen Wartungszustand oder gefahrenärmeren Zustand des DC-Gerätes angepasst werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird im zweiten Betriebsmodus zumindest eine der Schwellen so verändert, dass sich die Differenz zwischen der oberen und der unteren Schwelle gegenüber dem ersten Betriebsmodus verkleinert. Insbesondere kann die Differenz zwischen oberer und unterer Schwelle auf einen Wert von wenigen Volt oder auf null verkleinert werden. Dies kann zum Beispiel dazu dienen, das auf der DC-Seite des Leistungswandlers angeschlossene DC-Gerät in einem engeren Bereich der an seinem Eingang anliegenden DC-Spannung zu betreiben. Dies kann zum Beispiel aus Sicherheits- oder Wartungsgründen erwünscht sein. Im zweiten Betriebsmodus kann also die DC-Ausgangsspannung des Leistungswandlers gegenüber dem ersten Betriebsmodus in einem engeren Bereich liegen und insbesondere auf Werte im unteren Bereich des ursprünglichen Totbandes des ersten Betriebsmodus beschränkt werden. Bei einer Differenz zwischen oberer und unterer Schwelle von wenigen Volt oder null wird die Zwischenkreisspannung und damit die DC-Ausgangsspannung des Leistungswandlers nahe bei bzw. auf einem bestimmten Wert gehalten.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird im zweiten Betriebsmodus die obere Schwelle der Zwischenkreisspannung abgesenkt. Insbesondere wird die obere Schwelle auf die untere Schwelle abgesenkt. Diese Ausführungsform kann zum Beispiel Vorzüge bieten, wenn ein sicherer Betrieb des Leistungswandlers gewährleistet und eine DC-Ausgangsspannung des Leistungswandlers erreicht werden soll, die an der unteren Schwelle des ursprünglichen Totbandes des ersten Betriebsmodus und damit nahe der Leerlaufspannung eines angeschlossenen Elektrolyseurs liegt, so dass der Elektrolyseur bei bestehender oder wiederkehrender DC-Verbindung unmittelbar weiter betrieben werden kann.
In einer Ausführungsform erfolgt ein Übergang von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus, wenn die Zwischenkreisspannung eine Fehlerschwelle überschreitet. Die Fehlerschwelle für die Zwischenkreisspannung kann zum Beispiel oberhalb der oberen Schwelle liegen. Wenn die Zwischenkreisspannung über diese Fehlerschwelle ansteigt, so wird die Differenz zwischen oberer und unterer Schwelle verändert. Insbesondere kann zum Beispiel die obere Schwelle nahe an oder auf die untere Schwelle abgesenkt werden.
Wird ein Fehlerfall erkannt, bei dem die Zwischenkreisspannung zu weit ansteigt, nämlich über die Fehlerschwelle hinaus, so kann dann die Differenz zwischen der oberen und der unteren Schwelle verändert werden. Dies kann zum Beispiel dazu dienen, das System, insbesondere den Zwischenkreis des Leistungswandlers, in einen sicheren Zustand zu bringen. Ein sicherer Zustand kann z. B. darin bestehen, dass die Zwischenkreisspannung durch Veränderung von oberer und/oder unterer Schwelle in einem wesentlich engeren Bereich als im ersten Betriebszustand nahe der unteren Grenze des Totbandes des ersten Betriebsmodus gehalten wird. Damit kann zum Beispiel auch darauf reagiert werden, dass sich auf der DC-Seite des Leistungswandlers Veränderungen ergeben haben, zum Beispiel ein im ersten Betriebsmodus zuvor angeschlossenes DC-Gerät getrennt wurde. Wird dies erkannt, zum Beispiel indem ein übermäßiges Ansteigen der Zwischenkreisspannung wahrgenommen wird, so kann durch Verändern von oberer und/oder unterer Schwelle darauf reagiert werden. Z. B. kann der Zwischenkreis dadurch geschützt werden, dass seine Spannung in einem engeren Bereich als im ersten Betriebsmodus gehalten wird, wobei der engere Bereich bevorzugt nahe der unteren Schwelle des ursprünglichen Totbandes des ersten Betriebsmodus liegt und diese untere Schwelle optional umfasst.
In einem Ausführungsbeispiel ist auf der Gleichspannungsseite des Leistungswandlers ein Elektrolyseur angeschlossen. Der Elektrolyseur wird im ersten Betriebsmodus mit dem Ist-Gleichstrom versorgt. Der Ist-Gleichstrom wird durch den Leistungswandler aus einem AC-Iststrom aus dem AC-Netz erzeugt. Die Zwischenkreisspannung hängt dabei von dem Ist-Gleichstrom und einer Elektrolyse-Kennlinie des Elektrolyseurs ab, wenn der Elektrolyseur an den Leistungswandler angeschlossen ist und mit dem Ist-Gleichstrom versorgt wird.
Der Elektrolyseur kann zum Beispiel als Wasserstoff-Elektrolyseur ausgebildet sein, der Wasser mittels des Ist-Gleichstroms in einer Elektrolysereaktion in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff umwandelt. Der Elektrolyseur weist typischerweise eine Strom-Spannungs-Kennlinie auf, welche auch als Elektrolyse-Kennlinie bezeichnet wird. Die Elektrolyse-Kennlinie kann in zwei Bereiche aufgeteilt werden. Unterhalb einer Leerlaufspannung zeigt der Elektrolyseur ein überwiegend kapazitives Verhalten, welches von der Ausbildung von Doppelschichten an Elektroden des Elektrolyseurs hervorgerufen wird. Eine Elektrolysereaktion findet bei Spannungen unterhalb der Leerlaufspannung noch nicht oder zumindest nicht in signifikanter Weise statt. Bei Eingangsspannungen oberhalb der Leerlaufspannung zeigt der Elektrolyseur überwiegend ohmsches Verhalten, welches durch die bei diesen Spannungen ablaufende Elektrolysereaktion hervorgerufen wird. Die Geschwindigkeit der Elektrolysereaktion und damit die Erzeugungsrate von Wasserstoff steigt mit zunehmendem Ist-Gleichstrom und damit zunehmender Eingangsspannung. Im stromstellenden Betrieb des Leistungswandlers hängt die Zwischenkreisspannung daher von dem Ist-Gleichstrom und der Elektrolyse-Kennlinie des Elektrolyseurs ab. Der Ist-Gleichstrom wird dabei von dem Leistungswandler, der als aktiver Gleichrichter ausgebildet ist, eingestellt.
Es ist vorteilhaft, wenn die untere Schwelle der Zwischenkreisspannung der Leerlaufspannung des Elektrolyseurs entspricht oder über der Leerlaufspannung des Elektrolyseurs liegt. Hierdurch wird die Eingangsspannung des Elektrolyseurs durch den Leistungswandler in einem Bereich gehalten, in dem Elektrolyse stattfindet. Die obere Schwelle der Zwischenkreisspannung kann dann zum Beispiel im ersten Betriebsmodus in einem Bereich liegen, der gemäß Elektrolyse-Kennlinie oberhalb der Nennleistung des Elektrolyseurs und bei oder unterhalb der zulässigen Maximalspannung des Elektrolyseurs liegt.
In einer Ausführungsform stellt der Leistungswandler im ersten Betriebsmodus den Ist-Gleichstrom gemäß eines Einstell-Sollstroms ein, wobei der Einstell-Sollstrom unter Verwendung eines Anforderungs-Sollstroms ermittelt wird. Der Anforderungs-Sollstrom wird dabei beispielsweise vom Elektrolyseur oder einer übergeordneten Steuereinheit vorgegeben, oder der Elektrolyseur oder die übergeordnete Steuereinheit gibt eine Sollleistung vor, die an geeigneter Stelle unter Berücksichtigung der DC-Eingangsspannung in einen Anforderungs-Sollstrom umgerechnet werden kann. Der Anforderungs-Sollstrom kann zum Beispiel vom Elektrolyseur anhand seiner Elektrolyse-Kennlinie und/oder in Abhängigkeit von seinem aktuellen und/oder seinem anzustrebenden Betriebszustand vorgegeben werden. Der Einstell-Sollstrom hängt dann von dem Anforderungs-Sollstrom bzw. der Sollleistung ab und wird vom Leistungswandler oder von einer übergeordneten Steuerung, die den Leistungswandler ansteuert, ermittelt, so dass der Ist-Gleichstrom unter Verwendung des Einstell-Sollstroms bzw. der Sollleistung ermittelt und eingestellt wird.
In einer Ausführungsform wird der Einstell-Sollstrom aus dem Anforderungs-Sollstrom unter Verwendung eines Korrekturwertes ermittelt. Der Einstell-Sollstrom ergibt sich zum Beispiel, indem der Korrekturwert vom Anforderungs-Sollstrom subtrahiert wird. Der Leistungswandlers kann also mit einer Stromregelung betrieben werden, die einen Anforderungs-Sollstrom vom Elektrolyseur und einen Korrekturwert aufweist. Der Korrekturwert kann z. B. in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung erzeugt werden.
In einer Ausführungsform wird der Korrekturwert in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung, der oberen Schwelle und/oder der unteren Schwelle ermittelt. Der Korrekturwert wird durch eine Regelung ermittelt, welche zum Ziel hat, die Zwischenkreisspannung im ersten Betriebsmodus bei angeschlossenem Elektrolyseur und im zweiten Betriebsmodus zwischen den jeweils gültigen oberen und unteren Schwellen zu halten. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Regelung im ersten Betriebsmodus bei angeschlossenem Elektrolyseur und im zweiten Betriebsmodus in gleicher Weise stromgeregelt arbeitet und insofern strukturell unverändert verwendet werden kann. Die Regelung hat jeweils zum Ziel, den Ist-Gleichstrom entsprechend dem Einstell-Sollstrom einzustellen und gleichzeitig die Zwischenkreisspannung zwischen oberer und unterer Schwelle zu halten. Dadurch, dass im zweiten Betriebsmodus zumindest eine der Schwellen verändert wird, kann geänderten Randbedingungen Rechnung getragen werden. Die Regelung selbst muss strukturell nicht angepasst werden.
In einer Ausführungsform ist der Korrekturwert im zweiten Betriebsmodus zeitweise größer als der Anforderungs-Sollstrom. Aus der Subtraktion des Korrekturwerts vom Anforderungs-Sollstrom kann dann ein Einstell-Sollstrom mit einem gegenüber dem Anforderungs-Sollstrom umgekehrten Vorzeichen resultieren. In einer solchen Situation stellt der Leistungswandler einen Ist-Gleichstrom ein, der elektrische Leistung aus dem Zwischenkreis in das AC-Netz transferiert. Hierdurch kann einer zu hohen Zwischenkreisspannung entgegengewirkt und damit eine Überladung des Zwischenkreises verhindert werden, indem elektrische Ladung aus dem Zwischenkreis entnommen und der Zwischenkreis in einem sicheren Zustand gehalten wird.
Für den Fall, dass der Leistungswandler elektrische Leistung aus dem GleichspannungsZwischenkreis in das AC-Netz transferiert, wird der Leistungswandler als aktiver Wechselrichter betrieben. Für den Fall, dass der Leistungswandler elektrische Leistung aus dem AC-Netz auf seine DC-Seite transferiert, wird der Leistungswandler als aktiver Gleichrichter betrieben. In beiden Fällen handelt es sich um einen stromgeregelten Betrieb.
In einer Ausführungsform erfolgt der Übergang vom ersten in den zweiten Betriebsmodus alternativ oder zusätzlich in Abhängigkeit von dem Korrekturwert. Hierdurch kann ein weiterer Fehlerfall abgefangen werden, der sich in auffälligen Werten für den Korrekturwert äußert. Insbesondere kann der Übergang von dem ersten und in den zweiten Betriebsmodus bei Überschreiten eines Grenzwertes für den Korrekturwert erfolgen. Dadurch kann insbesondere ein Sicherheitsmechanismus eingebaut werden, der auf zu große Korrekturwerte reagiert und in der Folge zumindest eine der Schwellen für die Zwischenkreisspannung verändert, um das System zurück in einen sicheren Zustand zu bringen. Die Bedingung für den Übergang vom ersten in den zweiten Betriebsmodus kann insbesondere sowohl die Fehlerschwelle für die Zwischenkreisspannung als auch den Grenzwert für den Korrekturwert umfassen, so dass der Übergang in den zweiten Betriebsmodus erst erfolgt, wenn sowohl die Zwischenkreisspannung als auch der Korrekturwert ihre jeweiligen Grenzwerte überschreiten.
In weiteren Ausführungsformen erfolgt der Übergang von dem zweiten in den ersten Betriebsmodus in Abhängigkeit von dem Anforderungs-Sollstrom. In dieser Ausführungsform kann der Übergang vom zweiten in den ersten Betriebsmodus realisiert werden, indem auf einen Anforderungs-Sollstrom reagiert wird, der zum Beispiel in einem sicheren oder neutralen Bereich liegt. Insbesondere kann bei einem Anforderungs-Sollstrom von null vom zweiten in den ersten Betriebsmodus übergegangen werden. Bei einem Anforderungs-Sollstrom des Elektrolyseurs von null fordert dieser keine elektrische Leistung an. Da nun keine elektrische Leistung auf der DC-Seite des Leistungswandlers angefordert wird, so besteht keine Gefahr den Zwischenkreis zu weit aufzuladen, da ja gar keine Anforderung besteht Leistung von AC-Seite zu der DC-Seite zu transferieren. Es kann also wieder in den ersten Betriebsmodus zurückgekehrt werden.
Der Leistungswandler kann den zweiten Betriebsmodus wieder verlassen und die Schwellen und damit das Totband auf ursprüngliche Werte setzen, wenn der Elektrolyseur auf das Ausbleiben der Leistungszufuhr reagiert hat und der Stromsollwert des Elektrolyseurs auf null gesetzt wurde. Anschließend kann der Elektrolyseur vom Leistungswandler im ersten Betriebsmodus ausgehend vom Leerlauf wieder angefahren werden.
In einer Ausführungsform wird die obere Schwelle der Zwischenkreisspannung in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung, dem Korrekturwert und/oder dem Anforderungs-Sollstrom ermittelt. In dieser Ausführungsform ist es möglich, die obere Schwelle dynamisch in Abhängigkeit von der aktuellen Zwischenkreisspannung, dem aktuellen Korrekturwert und/oder dem Anforderungs-Sollstrom festzulegen. Dies ermöglicht eine Ermittlung der oberen Schwelle unter Einbeziehung zumindest dieser drei Werte. Gefährliche Zustände des Gesamtsystems können damit vermieden werden.
Mittels des Verfahrens kann also eine Fehlerschwelle für eine DC-Spannung auf der DC-Seite des Leistungswandlers, insbesondere für die Zwischenkreisspannung, definiert werden. Wenn die DC-Spannung diese Fehlerschwelle überschreitet, wird der Leistungswandler in einen Stand-By-Zustand versetzt, in dem keine Elektrolyse stattfindet und der Elektrolyseur ein im wesentlichen kapazitives Verhalten ohne wesentliche Leistungsaufnahme zeigt. Das Versetzen in den Stand-By-Zustand erfolgt, indem das Totband des DC-Spannungsreglers geändert wird, insbesondere verkleinert wird, insbesondere auf null verkleinert wird, so dass die DC-Spannung mittels des Korrekturwertes auf einen Wert geregelt wird, bei dem der Leistungswandler im grundsätzlich stromgeregelten Betrieb bleibt und nicht in einen passiven Gleichrichterbetrieb übergeht.
Durch das Verfahren kann vermieden werden, dass sich der Zwischenkreis aufgrund einer fortdauernden Stromzufuhr gemäß des Anforderungs-Sollstroms und gleichzeitig fehlendem Abfluss elektrischer Leistung in den Elektrolyseur so lange auflädt, bis er z. B. explodiert, oder bis z. B. anderweitige Schutzmechanismen greifen und den Leistungswandler ggf. abschalten. Durch das Verfahren kann ein solcher Fall drohender Überladung frühzeitig erkannt werden, wobei der Leistungswandler die Überladung verhindert und gleichzeitig im stromgeregelten Betrieb bleibt. Dabei ist im zweiten Betriebsmodus das Totband der DC-Spannungsregelung geändert, so dass der Leistungswandler im zweiten Betriebsmodus de facto in einem Stand-By-Betrieb betrieben wird, mit einer DC-Spannung gleich oder oberhalb der Leerlaufspannung des (getrennten) Elektrolyseurs.
Die Bedingung für die Änderung des Totbandes kann neben der Fehlerschwelle für die DC-Spannung einen Grenzwert für den Korrekturwert umfassen, so dass der Stand-By-Zustand erst dann eingenommen wird, wenn sowohl die DC-Spannung als auch der Korrekturwert den jeweiligen Grenzwert überschreitet. Der Korrekturwert kann dabei seinen Grenzwert zeitlich verzögert überschreiten, nachdem die DC-Spannung die Fehlerschwelle überschritten hat, wobei der zeitliche Verzug insbesondere von der Dynamik der Änderung der DC-Spannung abhängen kann.
Der Leistungswandler kann den Stand-By-Zustand wieder verlassen und das Totband kann auf ursprüngliche Werte gesetzt werden, wenn der Elektrolyseur auf den Fehler reagiert hat und der Anforderungs-Sollstrom des Elektrolyseurs auf null gesetzt wurde. Anschließend kann der Elektrolyseur ausgehend vom Leerlauf wieder angefahren werden.
Eines der zuvor beschriebenen Verfahren kann zum Beispiel auf einer Steuereinheit zum Betrieb des Leistungswandlers ausgeführt werden. Die Steuereinheit kann in dem Leistungswandler angeordnet sein und Leistungsschalter des Leistungswandlers ansteuern, über die die Gleichrichtung und/oder die Wechselrichtung des elektrischen Stromes erfolgt und die den Transfer der elektrischen Leistung zwischen der AC-Seite und der DC-Seite realisieren. Die Steuereinheit kann auch als übergeordnete Steuereinheit ausgelegt sein und Steuer- und/oder Regelungsaufgaben für mehr als ein Gerät des Gesamtsystems wahrnehmen.
Ein Gesamtsystem mit Steuereinheit und Leistungswandler kann zum Beispiel als Elektrolyseanlage ausgebildet sein. Eine solche Elektrolyseanlage weist die zuvor beschriebene Steuereinheit, den Elektrolyseur und den Leistungswandler auf. Der Elektrolyseur ist über DC-Schalter, insbesondere DC-Relais, mit dem Leistungswandler verbindbar. Der Leistungswandler ist eingerichtet, elektrische Leistung in stromstellenden Betrieb zwischen einer Wechselspannungsseite und einer Gleichspannungsseite zu übertragen. Der Leistungswandler weist den auf der Gleichspannungsseite angeordneten Gleichspannungszwischenkreis auf. Der Leistungswandler ist ausgelegt und eingerichtet, in stromstellenden Betrieb einen Ist-Gleichstrom einzustellen und den Elektrolyseur bei geschlossenen DC-Schaltern aus dem AC-Netz mit elektrischer Energie zu versorgen.
In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit eingerichtet, eine Zwischenkreisspannung zwischen einer oberen Schwelle und einer unteren Schwelle zu halten. Die untere Schwelle entspricht dabei der Leerlaufspannung des Elektrolyseurs oder liegt wenige Volt über der Leerlaufspannung des Elektrolyseurs. Hierdurch ist die obere und die untere Schwelle der Zwischenkreisspannung an den Elektrolyseur der Elektrolyseanlage angepasst und ermöglicht einen Betrieb des Elektrolyseurs gemäß seiner Elektrolyse-Kennlinie.
Im zweiten Betriebsmodus können insbesondere die DC-Schalter geöffnet sein. Der zweite Betriebsmodus ermöglicht dabei, die Parameter der Regelung des Leistungswandlers so anzupassen, dass die Zwischenkreisspannung in einem anderen Bereich gehalten wird als im ersten Betriebsmodus. Dies ist auch möglich, wenn der Leistungswandler über das Öffnen der DC-Schalter nicht vorab informiert wird, er also keine Information vorliegen hat, den von ihm eingestellten Ist-Gleichstrom vorab abweichend vom Anforderungs-Sollstrom einzustellen. Eine Anpassung des Einstell-Sollstroms und damit des Ist-Gleichstrom kann dann, wie zuvor beschrieben, durch ein Anpassen von oberer und/oder unterer Schwelle der Zwischenkreisspannung erfolgen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Elektrolyseanlage mit Leistungswandler und Steuereinheit,
2 zeigt schematisch ein Blockschaltbild eines Verfahrens zum Betrieb des Leistungswandlers und
3 zeigt schematisch beispielhafte Strom- und Spannungsverläufe in der Elektrolyseanlage.

In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Elektrolyseanlage 10 mit einem Leistungswandler 16, welche einen Zwischenkreis ZWK aufweist. Der Leistungswandler 16 ist im vorliegenden Beispiel als Gleichrichter ausgebildet, welcher elektrische Leistung von Wechselspannung auf Gleichspannung umrichten kann. Der Leistungswandler 16 ist ebenfalls in der Lage, als Wechselrichter zu agieren und elektrische Leistung von Gleichspannung in Wechselspannung umzurichten. Zur elektrischen Leistungswandlung weist der Leistungswandler 16 insbesondere eine Brückenschaltung mit Halbleiterschaltern auf. Durch geeignete Ansteuerung der Halbleiterschalter kann eine Umrichtung von Wechselspannung auf einer AC-Seite des Leistungswandlers 16 in Gleichspannung auf einer DC-Seite des Leistungswandlers 16 und umgekehrt erfolgen. Die Ansteuerung der Halbleiterschalter des Leistungswandlers 16 kann insbesondere mittels getakteter Ansteuersignale erfolgen, die zum Beispiel durch eine Steuereinheit des Leistungswandlers 16 erzeugt werden (nicht dargestellt). Die zur Erzeugung der Ansteuersignale der Halbleiterschalter des Leistungswandlers 16 notwendigen Parameter werden durch eine übergeordnete Steuerung einer Steuereinheit 20 ermittelt und an den Leistungswandler 16 übermittelt. Die Steuereinheit 20 kann als Prozessor oder Mikrocontroller mit entsprechender Speicherausstattung und Dateneingabe- und Datenausgabemöglichkeiten ausgebildet sein.
Der Leistungswandler 16 ist auf seiner AC-Seite über ein AC-Relais 14 mit einem AC-Netz 12, zum Beispiel einem AC-Versorgungsnetz, insbesondere einem öffentlichen Wechselspannungsnetz verbunden. Aus dem AC-Netz 12 kann der Leistungswandler 16 elektrische Leistung in Form eines AC-Iststroms I_AC_ist beziehen. Der Leistungswandler 16 kann in stromstellenden Betrieb betrieben werden. Im stromstellenden Betrieb stellt der Leistungswandler 16 auf seiner DC-Seite einen Ist-Gleichstrom I_DC_ist ein, der zur Versorgung eines DC-seitig angeschlossenen DC-Geräts mit elektrischer Leistung eingerichtet ist. Im dargestellten Beispiel weist der Leistungswandler 16 auf seiner DC-Seite einen Zwischenkreis ZWK auf, welcher beispielsweise als Kapazität in Form eines Kondensators ausgebildet ist und wie dargestellt außerhalb des Leistungswandlers 16 angeordnet sein kann oder sich innerhalb eines Gehäuses des Leistungswandlers 16 befindet (nicht dargestellt). Ein Elektrolyseur 22 ist über DC-Schalter 18 an der DC-Seite des Leistungswandlers 16 angeschlossen. Mittels des Ist-Gleichstroms I_DC_ist kann der Elektrolyseur 22 über den Leistungswandler 16 aus dem AC-Netz 12 mit elektrischer Leistung versorgt werden.
Sind die DC-Schalter 18 geschlossen, so kann der vom Leistungswandler 16 zur Verfügung gestellte Ist-Gleichstrom I_DC_ist in den Elektrolyseur 22 fließen und diesen mit elektrischer Leistung versorgen. Diese Situation ist in 1 durch einen gepunkteten Pfeil I_DC_ist dargestellt, der einen Stromfluss vom Leistungswandler 16 über dessen Zwischenkreis ZWK und die geschlossenen DC-Schalter in den Elektrolyseur 22 symbolisiert. Der Leistungswandler 16 stellt dabei den Ist-Gleichstrom I_DC_ist gemäß eines Anforderungs-Sollstroms I_DC_soll_1 vom Elektrolyseur 22 ein. Im Normalbetrieb, d. h. bei geschlossenen DC-Schaltern 18 und einer Zwischenkreisspannung im Arbeitsbereich des Elektrolyseurs 22, entspricht dabei der Anforderungs-Sollstrom I_DC_soll_1 weitgehend dem Einstell-Sollstrom I_DC_soll_2. Der Einstell-Sollstrom I_DC_soll_2 wird dabei von der Steuereinheit 20 an den Leistungswandler 16 geliefert. Gemäß des Anforderungs-Sollstroms I_DC_soll, den der Leistungswandler 16 von der Steuereinheit 20 erhält, wird dabei der Ist-Gleichstrom I_DC_ist auf der DC-Seite des Leistungswandlers 16 eingestellt.
An dem Zwischenkreis ZWK des Leistungswandlers 16 fällt eine Zwischenkreisspannung U_ZWK ab. Diese Zwischenkreisspannung U_ZWK wird gemessen, und der Messwert für die Zwischenkreisspannung wird von dem Leistungswandler 16 an die Steuereinheit 20 übermittelt. Sind die DC-Schalter 18 geöffnet, so kann der vom Leistungswandler 16 zur Verfügung gestellte Ist-Gleichstrom I_DC_ist nicht über den Zwischenkreis ZWK hinweg in den Elektrolyseur 22 fließen. Vielmehr fließt der vom Leistungswandler 16 eingestellte Strom I_AC_ist in den Zwischenkreis ZWK, und die Zwischenkreisspannung U_ZWK steigt in der Folge an, da der Strom nicht aus dem Zwischenkreis ZWK abfließen kann. Diese Situation ist in 1 durch einen gestrichelten Pfeil I_DC_ist dargestellt, der einen Stromfluss vom Leistungswandler 16 in dessen Zwischenkreis ZWK symbolisiert.
In 2 ist am Beispiel eines Blockschaltbildes die Regelung dargestellt, wie sie von der Steuereinheit 20 ausgeführt werden kann. Als Eingabewert erhält die Regelung den Anforderungs-Sollstrom I_DC_soll_1 vom Elektrolyseur 22. Zu dem Anforderungs-Sollstrom I_DC_soll_1 wird ein Korrekturwert I_DC_k addiert. Die Summe aus Anforderungs-Sollstrom die I_DC_soll_1 und Korrekturwert I_DC_k ergibt den Einstell-Sollstrom I_DC_soll_2, welcher von der Regelung in der Steuereinheit 20 an den Leistungswandler 16 übermittelt wird.
Der Korrekturwert I_DC_k kann durch die Regelung in der Steuereinheit 20 ermittelt werden, indem die Zwischenkreisspannung U_ZWK herangezogen wird. Von einem Schwellwertgenerator 24 wird unter Verwendung der Zwischenkreisspannungen die untere Schwelle U_ZWK_min und die obere Schwelle U_ZWK_max der Zwischenkreisspannung U_ZWK ausgegeben. Die untere Schwelle U_ZWK_min kann dabei zum Beispiel einer Leerlaufspannung des Elektrolyseurs 22 entsprechen, unterhalb derer im Elektrolyseur 22 keine oder keine signifikante Elektrolyse stattfindet. Die obere Schwelle U_ZWK_max kann zum Beispiel einer Zwischenkreisspannung entsprechen, welche im Bereich einer maximal zulässigen Spannung des Elektrolyseurs 22 liegt, wobei der Arbeitspunkt, an dem der Elektrolyseur 22 in einem Nennbetrieb mit Nennleistung arbeitet, unterhalb der obere Schwelle U_ZWK_max liegt.
Wenn die DC-Schalter 18 geschlossen sind, entspricht die Zwischenkreisspannung U_ZWK der Eingangsspannung am Elektrolyseur 22. Ein erster Betriebsmodus des Leistungswandlers 16 entspricht dabei einem solchen Betrieb mit den beschriebenen Schwellen U_ZWK_min, U_ZWK_max, geschlossenen DC-Schaltern 18 und angeschlossenem Elektrolyseur 22.
Im oberen Pfad von 2 bildet nun die Differenz aus oberer Schwelle U_ZWK_max und Zwischenkreisspannung U_ZWK ein Eingangssignal eines ersten PI-Reglers PI1. Der erste PI-Regler PI1 generiert durch Multiplikation der Differenz zwischen oberer Schwelle U_ZWK_max und Zwischenkreisspannung U_ZWK mit einem Proportionalitätsfaktor P und mit einem Integralfaktor I einen Korrektur-Zwischenwert u, welcher einem ersten Begrenzer B1 zugeführt wird. Der erste Begrenzer B1 generiert einen Ausgangs-Wert y. In Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Zwischenkreisspannung U_ZWK und der oberen Schwelle U_ZWK_max liegt der Ausgangswert y des Begrenzers zwischen 0 und dem 1,1-fachen des Nennstrom des Elektrolyseurs I_n. Dabei entspricht der Ausgangswert y dem Korrektur-Zwischenwert u, wenn der Korrektur-Zwischenwert u zwischen 0 und dem 1,1-fachen des Nennstrom des Elektrolyseurs I_n liegt. Wenn der Korrektur-Zwischenwert u jedoch kleiner als 0 ist, was insbesondere eintritt, wenn die Zwischenkreisspannung U_ZWK kleiner als die obere Schwelle U_ZWK_max ist, dann wird der Ausgangswert y auf null gesetzt und zudem als Rücksetzsignal an den PI-Regler PI1 zurückgegeben, um den Integralanteil des PI-Regler PI1 zurückzusetzen (sogenanntes Anti-Windup); in diesem Fall ist der obere Pfad der Regelung in 2 praktisch inaktiv, da die obere Schwelle U_ZWK_max gerade nicht überschritten ist. Wenn der Korrektur-Zwischenwert u jedoch das 1,1-fache des Nennstroms I_n übersteigt, also zum Beispiel wenn die Zwischenkreisspannung U_ZWK deutlich und anhaltend über der oberen Schwelle U_ZWK_max liegt, wird der Ausgangswert y auf das 1,1 fache des Nennstroms begrenzt. Der Korrekturwert I_DC_k kann also in diesem Beispiel bis zum 1,1-fachen des Nennstroms I_n erreichen und damit insbesondere größer sein als der Anforderungs-Sollstrom I_DC soll_1. Daraus kann dann ein Einstell-Sollstrom I_DC_soll_2 resultieren, der ein umgekehrtes Vorzeichen als der Anforderungs-Sollstrom I_DC_soll_1 aufweist. Dies kann dann wiederum darin resultieren, dass sich die Stromflussrichtung im Leistungswandler 16 gegenüber dem Normalbetrieb mit angeschlossenem und normal arbeitendem Elektrolyseur 22 umdreht, so dass elektrische Energie von der DC-seite des Leistungswandlers 16, insbesondere aus dem Zwischenkreis ZWK entnommen und in das AC-Netz 12 eingespeist wird. In einem solchen Betriebsmodus agiert der Leistungswandler 16 dann als Wechselrichter und transferiert Energie aus dem Zwischenkreis ZWK in das AC-Netz 12, insbesondere wenn die Zwischenkreisspannung U_ZWK deutlich und anhaltend über der oberen Schwelle U_ZWK_max liegt.
Der untere Pfad der Regelung von 2 hängt zum einen von der unteren Schwelle U_ZWK_min und zum anderen von der Zwischenkreisspannung U_ZWK ab. Ein zweiter Pl-Regler PI2 generiert durch Multiplikation der Differenz zwischen unterer Schwelle U_ZWK_min und Zwischenkreisspannung U_ZWK mit einem Proportionalitätsfaktor P und mit einem Integralfaktor I einen zweiten Korrektur-Zwischenwert u, der einem zweiten Begrenzer B2 zugeführt wird. Als Ausgabewert generiert der zweite Begrenzer B2 einen zweiten Ausgangswert y, der zum Ausgabewert y des ersten Begrenzers B1 addiert wird. Der zweite Begrenzer wirkt dabei ebenfalls als Begrenzer in analoger Weise zum ersten Begrenzer B1, jedoch im Hinblick auf die untere Schwelle U_ZWK_min. Die Summe aus den Ausgabewerten y des oberen und des unteren Pfades der Regelung ergibt den Korrekturwert I_DC_k. In Abhängigkeit vom Wert der Zwischenkreisspannung U_ZWK und dem daraus generierten Ausgabewert des zweiten PI-Reglers PI2 nimmt im unteren Pfad von 2 der Ausgabewert des zweiten Begrenzers B2 einen Wert zwischen 0 und dem negativen 1,1-fachen des Nennstrom I_n des Elektrolyseurs 22 an. Ist die Zwischenkreisspannung U_ZWK zum Beispiel deutlich und anhaltend unterhalb der unteren Schwelle U_ZWK_min, so kann ein Stromwert als Ausgabewert generiert werden, der maximal das negative 1,1-fache des Nennstrom des Elektrolyseurs 22 beträgt. Der Wert kann dann als Korrekturwert I_DC_k zum Anforderungs-Sollstrom I_DC_soll_1 addiert werden und ergibt den Einstell-Sollstrom I_DC_soll_2 in analoger Weise wie im Hinblick auf den oberen Pfad beschrieben, Der Korrekturwert I_DC_k kann auch hier so groß werden, dass elektrische Energie aus dem Zwischenkreis ZWK entnommen werden wird und in das AC-Netz 12 eingespeist wird.
Werden in 1 die DC-Schalter 18 geöffnet, ohne dass die Regelung des Leistungswandlers 16 vorab daran angepasst wurde, so stellt der Leistungswandler 16 zunächst weiter den Ist-Gleichstrom I_DC_ist auf seiner DC-Seite an. Da die DC-Schalter 18 dann jedoch geöffnet sind, kann die elektrische Leistung jedoch nicht über den Zwischenkreis ZWK in den Elektrolyseur 22 fließen, sondern verbleibt im Zwischenkreis ZWK. Dies führt dazu, dass immer mehr elektrische Ladung im Zwischenkreis ZWK akkumuliert wird und sich dort eine zu hohe Zwischenkreisspannung U_ZWK aufbauen kann. Um dies abzuwenden, kann in Reaktion auf das Öffnen der DC-Schalter 18, insbesondere auf ein spontanes Öffnen ohne Vorankündigung, das insbesondere einen schnellen Anstieg der Zwischenkreisspannung verursacht, in einen zweiten Betriebsmodus gewechselt werden, in dem die obere Schwelle U_ZWK_max und/oder die untere Schwelle U_ZWK_min durch die Regelung der Steuereinheit 20 angepasst werden. Zur Anpassung der oberen Schwelle U_ZWK_max kann insbesondere die Zwischenkreisspannung U_ZWK und/oder der Korrekturwert I_DC_k berücksichtigt werden.
In Bezug auf 3 wird ein Ausführungsbeispiel mit einer möglichen Anpassung der oberen Schwelle U_ZWK_max der Zwischenkreisspannung U_ZWK anhand eines Zeitverlaufs der relevanten Spannungen und Ströme erläutert. Auf einer zeitlichen Achse t sind in 3 im oberen Teil verschiedener Spannungen U aufgetragen und im unteren Teil von 3 sind über einer zeitlichen Achse t verschiedene Ströme I aufgetragen. Im oberen Teil von 3 sind die untere Schwelle U_ZWK_min als durchgezogene Linie sowie die obere Schwelle U_ZWK_max als gestrichelte Linie aufgetragen. Dargestellt ist ebenfalls die Zwischenkreisspannung U_ZWK.
Steigt nun die Zwischenkreisspannung U_ZWK über eine Fehlerschwelle U_fehl, in 3 im oberen Teil gestrichelt dargestellt, so wird als Reaktion auf das Ansteigen der Zwischenkreisspannung U_ZWK über die Fehlerschwelle U_fehl die obere Schwelle U_ZWK_max auf die untere Schwelle U_ZWK_min abgesenkt. Typische Werte für die Fehlerschwelle U_fehl können in der Größenordnung von 1000 Volt liegen, während die untere Schwelle U_ZWK_min und die obere Schwelle U_ZKW_min beispielsweise bei 400 bzw. 900 Volt liegen können. Auslöser eines solchen Anstiegs der Zwischenkreisspannung U_ZWK über die Fehlerschwelle U_fehl kann beispielsweise ein Öffnen der DC-Schalter 18 zum Zeitpunkt t_0 sein, ohne dass die Regelung des Leistungswandlers 16 zuvor angepasst wurde. In der Folge steigt die Zwischenkreisspannung U_ZWK ab dem Fehlerzeitpunkt t_0 stark an und erreicht die Fehlerschwelle U_fehl. Daraufhin wird zum Zeitpunkt t_1 die obere Schwelle U_ZWK_max abgesenkt, so dass die obere Schwelle U_ZWK_max nur noch wenige Volt über der unteren Schwelle U_ZWK_min liegt. Der Anforderungs-Sollstrom I_DC_soll_1 bleibt weiterhin auf dem vorherigen Wert, denn der Elektrolyseur 22 fordert weiterhin den Anforderungs-Sollstrom I_DC_soll_1 an, der zur Aufrechterhaltung der Elektrolyse im Elektrolyseur 22 mit der an sich gewünschten Leistung benötigt wird. Der Einstell-Sollstrom I_DC_soll_2 von der Steuereinheit 20 an den Leistungswandler 16 sinkt jedoch, da die obere Schwelle U_ZWK_max abgesenkt wurde und somit eine große Differenz zwischen der Zwischenkreisspannung U_ZWK und der abgesenkten oberen Schelle U_ZWK_max besteht, die wiederum über den PI-Regler PI1 einen hohen Korrektur-Zwischenwert u ergibt. Der Korrektur-Zwischenwert u wird durch den Begrenzer B1 begrenzt, in diesem Beispiel auf maximal das 1,1fache des Nennstroms des Leistungswandlers 16, und als Korrekturwert I_DC_k zum Anforderungs-Sollstrom I_DC_soll_1 addiert. Durch die Addition des Korrekturwertes I_DC_k zum Anforderungs-Sollstrom I_DC_soll_1 in der in Bezug auf 2 beschriebenen Regelung wird der Einstell-Sollstrom I_DC_soll_2 absenkt. In der Folge sinkt auch der AC-Iststrom I_AC_ist, der die aus dem AC-Netz 12 bezogene Leistung darstellt. Wie zuvor beschrieben, kann der Einstell-Sollstrom I_DC_soll_2 und damit auch der AC-Iststrom I_AC_ist negativ werden, so dass elektrische Leistung von der DC-Seite bzw. aus dem Zwischenkreis ZWK des Leistungswandlers 16 in das AC-Netz 12 transferiert wird. Durch diesen Transfer elektrischer Leistung aus dem Zwischenkreis ZWK an das AC-Netz 12 sinkt die Zwischenkreisspannung U_ZWK wieder ab, wie im oberen Teil von 3 dargestellt.
Sinkt der Anforderungs-Sollstrom I_DC_soll_1 auf 0, d. h. wird keine elektrische Leistung mehr vom Elektrolyseur 22 angefordert, so kann zum Zeitpunkt t_2 vom zweiten in den ersten Betriebsmodus zurückgekehrt werden und die obere Schwelle U_ZWK_max wieder auf ihren ursprünglichen Wert angehoben werden. Dieses Anheben der Schwelle erfolgt beispielsweise durch den Schwellwertgenerator 24. Wird zu einem späteren Zeitpunkt die Elektrolyse im Elektrolyseur 22 wieder angefahren, so steigt der Anforderungs-Sollstrom IDC_soll_1 wieder an und bei geschlossenen DC-Schaltern 18 kann wieder elektrische Leistung aus dem AC-Netz 12 über den AC-Iststrom I_AC_ist an den Elektrolyseur 22 geliefert werden. Entsprechend steigt die Zwischenkreisspannung U_ZWK wieder an und erreicht zum Zeitpunkt t_3 mit dem Anforderungs-Sollstrom IDC_soll_1 einen stabilen Betriebswert.
Wie zuvor beschrieben, besteht ein möglicher Auslöser vom Übergang vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus darin, dass die Zwischenkreisspannung U_ZWK eine Fehlerschwelle U_fehl überschreitet. Es ist ebenso möglich, einen Übergang vom ersten in den zweiten Betriebsmodus auszulösen, wenn der Korrekturwert die I_DC_k eine gewisse Schwelle überschreitet. Dies kann ebenso ein Indiz dafür sein, dass die Zwischenkreisspannung U_ZWK die ihr zugewiesenen Schwellen verlässt und zu große Werte annimmt. Im zweiten Betriebsmodus kann dem dann gegengesteuert und Schaden an der Elektrolyseanlage vermieden werden.
BEZUGSZEICHENLISTE

10: Elektrolyseanlage
12: AC-Netz
14: AC-Relais
16: Leistungswandler
18: DC-Schalter
20: Steuereinheit
22: Elektrolyseur
24: Schwellwertgenerator
B1, B2: Begrenzer
I_AC_ist: AC-Iststrom
I_DC_ist: Ist-Gleichstrom
I_DC_k: Korrekturwert
I_DC_soll_1: Anforderungs-Sollstrom vom Elektrolyseur
I_DC_soll_2: Einstell-Sollstrom an Leistungswandler
In: Nennstrom Elektrolyseur
PI1, PI2: PI-Regler
U_fehl: Fehlerschwelle
U_ZWK_max: obere Schwelle
U_ZWK_min: untere Schwelle
U_ZWK: Zwischenkreisspannung
ZWK: Zwischenkreis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102020112880 [0002]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Leistungswandlers (16), welcher eingerichtet ist, elektrische Leistung in stromstellendem Betrieb zwischen einer Wechselspannungsseite und einer Gleichspannungsseite zu übertragen, und welcher einen auf der Gleichspannungsseite angeordneten Gleichspannungszwischenkreis (ZWK) aufweist, wobei der Leistungswandler (16) einen Ist-Gleichstrom (I_DC_ist) einstellt und wobei in einem ersten Betriebsmodus eine Zwischenkreisspannung (U_ZWK) zwischen einer oberen Schwelle (U_ZWK_max) und einer unteren Schwelle (U_ZWK_min) gehalten wird, und wobei in einem zweiten Betriebsmodus zumindest eine der Schwellen (U_ZWK_max, U_ZWK_min) so verändert wird, dass sich die Differenz zwischen der oberen und der unteren Schwelle (U_ZWK_max, U_ZWK_min) gegenüber dem ersten Betriebsmodus verändert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei im zweiten Betriebsmodus zumindest eine der Schwellen (U_ZWK_max, U_ZWK_min) so verändert wird, dass sich die Differenz zwischen der oberen und der unteren Schwelle (U_ZWK_max, U_ZWK_min) gegenüber dem ersten Betriebsmodus verkleinert, insbesondere auf eine Differenz von null verkleinert.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei im zweiten Betriebsmodus die obere Schwelle (U_ZWK_max) abgesenkt, insbesondere auf die untere Schwelle (U_ZWK_min) abgesenkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Übergang von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus erfolgt, wenn die Zwischenkreisspannung (U_ZWK) eine Fehlerschwelle (U_fehl) überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein an der Gleichspannungsseite angeschlossener Elektrolyseur (22) im ersten Betriebsmodus mit dem Ist-Gleichstrom (I_DC_ist) versorgt wird, wobei der Ist-Gleichstrom (I_DC_ist) durch den Leistungswandler (16) aus einem AC-Iststrom (I_AC_ist) aus einem an der Wechselspannungsseite angeschlossenen AC-Netz (12) erzeugt wird, und wobei die Zwischenkreisspannung (U_ZWK) von dem Ist-Gleichstrom (I_DC_ist) und einer Elektrolyse-Kennlinie des Elektrolyseurs (22) abhängig geregelt wird, wenn der Elektrolyseur (22) durch den Leistungswandler (16) mit dem Ist-Gleichstrom (I_DC_ist) versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die untere Schwelle einer Leerlaufspannung des Elektrolyseurs entspricht oder über der Leerlaufspannung des Elektrolyseurs liegt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Leistungswandler (16) im ersten Betriebsmodus den Ist-Gleichstrom (I_DC_ist) gemäß eines Einstell-Sollstroms (I_DC_soll_2) einstellt, wobei der Einstell-Sollstrom (I_DC_soll_2) unter Verwendung eines Anforderungs-Sollstroms (I_DC_soll_1) ermittelt wird, wobei der Anforderungs-Sollstrom (I_DC_soll_1) vom Elektrolyseur (22) vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Einstell-Sollstrom (I_DC_soll_2) aus dem Anforderungs-Sollstrom (I_DC_soll_1) unter Verwendung eines Korrekturwertes (I_DC_k) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Korrekturwert (I_DC_k) in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung (U_ZWK), der oberen Schwelle (U_ZWK_max) und/oder der unteren Schwelle (U_ZWK_min) ermittelt wird, wobei der Korrekturwert (I_DC_k) durch eine Regelung ermittelt wird, welche zum Ziel hat, die Zwischenkreisspannung (U_ZWK) im ersten Betriebsmodus bei angeschlossenem Elektrolyseur (22) und im zweiten Betriebsmodus zwischen den jeweils gültigen oberen und unteren Schwellen (U_ZWK_max, U_ZWK_min) zu halten.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Korrekturwert (I_DC_k) im zweiten Betriebsmodus zeitweise größer als der Anforderungs-Sollstrom (I_DC_soll_1) ist und ein Einstell-Sollstrom (I_DC_soll_2) mit einem gegenüber dem Anforderungs-Sollstrom (I_DC_soll_1) umgekehrten Vorzeichen resultiert, so dass der Leistungswandler (16) einen Ist-Gleichstrom (I_DC_ist) einstellt, der elektrische Leistung aus dem Zwischenkreis (ZWK) in das AC-Netz (12) transferiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Übergang von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit von dem Korrekturwert (I_DC_k) erfolgt, wobei der Übergang von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus insbesondere ein Überschreiten eines Grenzwertes für den Korrekturwert (I_DC_k) voraussetzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei der Übergang von dem zweiten in den ersten Betriebsmodus in Abhängigkeit von dem Anforderungs-Sollstrom (I_DC_soll_1) erfolgt, wobei der Übergang von dem zweiten in den ersten Betriebsmodus insbesondere erfolgt, wenn der Anforderungs-Sollstrom (I_DC_soll_1) gleich null ist.
Steuereinheit (20) zum Betrieb eines Leistungswandlers (16), welcher eingerichtet ist, elektrische Leistung zwischen einer Wechselspannungsseite und einer Gleichspannungsseite zu übertragen, und welcher einen auf der Gleichspannungsseite angeordneten Gleichspannungszwischenkreis (ZWK) aufweist, wobei der Leistungswandler (16) in stromstellendem Betrieb einen Ist-Gleichstrom (I_DC_ist) einstellt, wobei die Steuereinheit (20) ausgelegt und eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Elektrolyseanlage (10) aufweisend eine Steuereinheit (20) nach Anspruch 13, einen Elektrolyseur (22) und einen Leistungswandler (16), wobei der Elektrolyseur (22) über DC-Schalter (18) mit dem Leistungswandler (16) verbindbar ist, wobei der Leistungswandler (16) eingerichtet ist, elektrische Leistung in stromstellendem Betrieb zwischen einer Wechselspannungsseite und einer Gleichspannungsseite zu übertragen, und wobei der Leistungswandler (16) einen auf der Gleichspannungsseite angeordneten Gleichspannungszwischenkreis (ZWK) aufweist, wobei der Leistungswandler (16) ausgelegt und eingerichtet ist, in stromstellendem Betrieb einen Ist-Gleichstrom (I_DC_ist) einzustellen und den Elektrolyseur (22) bei geschlossenen DC-Schaltern (18) aus einem AC-Netz (12) mit elektrischer Energie zu versorgen.
Elektrolyseanlage (10) nach Anspruch 14, wobei Steuereinheit (20) eingerichtet ist, eine Zwischenkreisspannung (U_ZWK) zwischen einer oberen Schwelle (U_ZWK_max) und einer unteren Schwelle (U_ZWK_min) zu halten, wobei die untere Schwelle (U_ZWK_min) einer Leerlaufspannung des Elektrolyseurs (22) entspricht oder über der Leerlaufspannung des Elektrolyseurs (22) liegt.
Elektrolyseanlage (10) nach Anspruch 15, wobei die DC-Schalter (18) in dem zweiten Betriebsmodus geöffnet sind.