TECHNISCHES GEBIET

Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Umwandlung elektrischer Leistung, die insbesondere einem PV-Generator entnommen und einem Elektrolyseur zugeführt wird.

STAND DER TECHNIK

Ein PV-Generator (PV: Photovoltaik) weist eine PV-Kennlinie auf, die die Abhängigkeit des vom PV-Generator erzeugten Stroms von der an den PV-Generator angelegten Spannung darstellt. Im Betrieb eines PV-Generators an einem Leistungswandler, insbesondere an einem Wechselrichter, kann der Leistungswandler die Spannung am PV-Generator vorgeben und über einen relativ großen Spannungsbereich variieren. Die PV-Kennlinie weist einen Punkt maximaler Leistung auf, d.h. eine Spannung, bei der das Produkt aus Strom und Spannung maximal ist. Die maximale Leistung wird auch als MPP-Leistung (MPP: Maximum Power Point) bezeichnet. In der Regel umfasst der Leistungswandler eine Regelung, die bestrebt ist, den Punkt maximaler Leistung einzustellen, indem die Spannung geeignet variiert und die korrespondierende Änderung der Leistung beobachtet wird. Dazu kann insbesondere eine Messung des Stroms in Abhängigkeit von der eingestellten Spannung verwendet werden.

Ein Elektrolyseur weist eine Elektrolyse-Kennlinie auf, die die Abhängigkeit des vom Elektrolyseur aufgenommenen Stroms von der an den Elektrolyseur angelegten Spannung darstellt. Im Betrieb eines Elektrolyseurs an einem Leistungswandler, insbesondere an einem aktiven Gleichrichter, kann der Leistungswandler die Spannung am Elektrolyseur vorgeben und über einen Spannungsbereich variieren. Die Elektrolyse-Kennlinie des Stromes weist einen Leerlaufbereich und eine Startspannung auf, wobei der Elektrolyseur unterhalb der Startspannung im Leerlauf ist und oberhalb der Startspannung im Elektrolysebetrieb betrieben werden kann. Die Startspannung korrespondiert mit der sogenannten Zersetzungsspannung der einzelnen Elektrolysezellen des Elektrolyseurs. Im Elektrolysebetrieb steigt der vom Elektrolyseur aufgenommene Strom und damit die aufgenommene Leistung monoton mit steigender Spannung am Elektrolyseur bis zu einer Maximalleistung des Elektrolyseurs.

In DE3150758A1 wird eine Vorrichtung beschrieben, die von einem PV-Generator erzeugte elektrische Leistung über ein Schaltwerk einem Elektrolyseur zuführt. Um die Anpassung des PV-Generators an den Elektrolyseur bei verschiedenen Betriebsbedingungen zu verbessern, führt das Schaltwerk in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen einen Teil der von dem PV-Generator erzeugten elektrischen Energie einer Batterie zu oder führt dem Elektrolyseur elektrische Energie zu, die zum Teil der Batterie entnommen wird.

AUFGABE

Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Umwandlung elektrischer Leistung aufzuzeigen, die eingerichtet ist, einem PV-Generator elektrische Leistung zu entnehmen und einem Elektrolyseur zuzuführen. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Umwandlung elektrischer Leistung aufzuzeigen, bei dem die elektrische Leistung einem PV-Generator entnommen und einem Elektrolyseur zugeführt wird.

LÖSUNG

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9 sowie ein Energieumwandlungssystem gemäß Anspruch 19 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

BESCHREIBUNG

Eine Vorrichtung ist zum Umwandeln elektrischer Leistung zwischen einem PV-Generator und einem Elektrolyseur vorgesehen, wobei die Vorrichtung eine erste Seite zum Anschluss eines PV-Generators und eine zweite Seite zum Anschluss eines Elektrolyseurs aufweist. Die Vorrichtung weist einen Wechselrichter und einen aktiven Gleichrichter auf. Der Wechselrichter ist zwischen der ersten Seite der Vorrichtung und einem Transformator angeordnet. Der aktive Gleichrichter ist zwischen dem Transformator und der zweiten Seite der Vorrichtung angeordnet. Somit ist eine AC-Seite des Gleichrichters über den Transformator mit einer AC-Seite des Wechselrichters verbunden.

Der Wechselrichter ist dazu eingerichtet, eine erste DC-Spannung auf der DC-Seite des Wechselrichters in eine erste AC-Spannung auf der AC-Seite des Wechselrichters umzuwandeln. Die erste DC-Spannung kann insbesondere einer PV-Spannung eines angeschlossenen PV-Generators entsprechen. Der Gleichrichter ist dazu eingerichtet, eine zweite AC-Spannung auf der AC-Seite des Gleichrichters in eine zweite DC-Spannung auf der DC-Seite des Gleichrichters umzuwandeln. Die zweite DC-Spannung kann insbesondere einer Elektrolyse-Spannung eines angeschlossenen Elektrolyseurs entsprechen.

Die Vorrichtung weist eine Steuerung auf, welche eingerichtet ist, durch Einstellen eines AC/DC-Übersetzungsverhältnisses des Gleichrichters zwischen der zweiten AC-Spannung und der zweiten DC-Spannung einen Leistungsfluss zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite der Vorrichtung von einem angeschlossenen PV-Generator zu einem angeschlossenen Elektrolyseur zu beeinflussen. Das AC/DC-Übersetzungsverhältnis entspricht dabei dem Quotienten aus zweiter AC-Spannung an der AC-Seite des Gleichrichters und zweiter DC-Spannung an der DC-Seite des Gleichrichters. Je nach konkret zu verwendender Definition des Übersetzungsverhältnisses kann dieser Quotient aus verschiedenen Parametern der DC-Spannung und der AC-Spannung gebildet werden, wobei insbesondere eine Maximalamplitude oder ein Effektivwert der jeweiligen Spannung verwendet werden kann. Durch das Einstellen des AC/DC-Übersetzungsverhältnisses kann der Fluss elektrischer Leistung zwischen PV-Generator und Elektrolyseur eingestellt werden, so dass die von der Vorrichtung umgesetzte Leistung z. B. an die jeweils herrschenden Betriebsbedingungen von PV-Generator und Elektrolyseur angepasst werden kann. So kann z. B. der Leistungsfluss dynamisch an die Betriebsbedingungen angepasst werden. Dies kann z. B. umfassen, dass über das Einstellen des AC/DC-Übersetzungsverhältnisses ein Leistungsfluss angestrebt wird, der einem optimalen Punkt auf den jeweiligen Kennlinien von Elektrolyseur und/oder PV-Generator entspricht, insbesondere einem Arbeitspunkt maximaler Leistung des PV-Generators. Das Einstellen kann dabei schrittweise und/oder sukzessive erfolgen. Bevorzugt ist die Steuerung der Vorrichtung im aktiven Gleichrichter angeordnet.

In einer Ausführungsform weist der aktive Gleichrichter Halbleiterschalter auf, die insbesondere in einer Brückenanordnung ausgeführt sind und eine aktive Gleichrichterbrücke bilden. In dieser Ausführungsform erfolgt das Einstellen des AC/DC-Übersetzungs- verhältnisses des aktiven Gleichrichters durch eine geeignete Taktung der Halbleiterschalter. Die Taktung wird dabei durch eine getaktete Ansteuerung der Halbleiterschalter erreicht. Die getaktete Ansteuerung kann dabei z. B. durch die Steuerung der Vorrichtung oder durch die Steuerung des aktiven Gleichrichters erfolgen. Dabei hängt die Beziehung zwischen der zweiten DC-Spannung und der zweiten AC-Spannung von dem AC/DC-Übersetzungs- verhältnis des aktiven Gleichrichters ab. Insbesondere kann die DC-Spannung im Wesentlichen der Maximalamplitude der AC-Spannung entsprechen, wenn das Übersetzungsverhältnis den Wert eins aufweist, beispielsweise wenn die Halbleiterschalter nicht getaktet werden.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung hängen die erste DC-Spannung auf der DC-Seite des Wechselrichters und die zweite DC-Spannung auf der DC-Seite des aktiven Gleichrichters vom AC/DC-Übersetzungsverhältnis des aktiven Gleichrichters ab. In dieser Ausführungsform wird also der Leistungsfluss zwischen erster und zweiter Seite der Vorrichtung durch Einstellen von erster und zweiter DC-Spannung über das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters beeinflusst. Insbesondere können sich die erste DC-Spannung und die zweite DC-Spannung bei einem gegebenen AC/DC-Übersetzungsverhältnis so einstellen, dass die Arbeitspunkte auf den Kennlinien eines angeschlossenen PV-Generators und eines angeschlossenen Elektrolyseurs im Wesentlichen die gleiche Leistung mit gegensätzlichem Vorzeichen aufweisen, wobei deren DC-Spannungen entsprechend des AC/DC- Übersetzungsverhältnisses zueinander beabstandet sind.

Der aktive Gleichrichter kann insbesondere von seiner DC-Seite nach seiner AC-Seite als Tiefsetzsteller in Abhängigkeit von dem AC/DC-Übersetzungsverhältnis wirken. Die zweite AC-Spannung, genauer die Leiter-Leiterspannung der zweiten AC-Spannung auf der AC-Seite des Gleichrichters, ergibt sich hierbei durch die zweite DC-Spannung multipliziert mit dem AC/DC-Übersetzungsverhältnis. Beim aktiven Gleichrichter, der als Tiefsetzsteller wirkt ist das AC/DC-Übersetzungsverhältnis also kleiner oder maximal gleich 1. Hierdurch kann der Leistungsfluss noch besser eingestellt werden und der Arbeitspunkt auf den jeweiligen Kennlinien optimiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Wechselrichter von seiner DC-Seite nach seiner AC-Seite als Tiefsetzsteller mit einem DC/AC-Übersetzungsverhältnis wirken. Das DC/AC-Übersetzungsverhältnis entspricht dabei dem Quotienten aus erster DC- Spannung an der DC-Seite des Wechselrichters und erster AC-Spannung an der AC-Seite des Wechselrichters. Die erste AC-Spannung, genauer die Leiter-Leiterspannung der ersten AC-Spannung, ergibt sich hierbei durch die erste DC-Spannung multipliziert mit dem DC/AC- Übersetzungsverhältnis. Beim Wechselrichter, der als Tiefsetzsteller wirkt ist das DC/AC- Übersetzungsverhältnis also größer oder mindestens gleich 1. Hierdurch kann der Leistungsfluss noch besser eingestellt werden und der Arbeitspunkt auf den jeweiligen Kennlinien optimiert werden.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung setzt der Transformator die erste AC-Spannung auf die zweite AC-Spannung mit einem AC/AC-Übersetzungsverhältnis um und realisiert eine galvanische Trennung zwischen erster Seite und zweiter Seite der Vorrichtung. Das AC/AC- Übersetzungsverhältnis entspricht dabei dem Quotienten aus erster AC-Spannung an einer Seite des Transformators und zweiter AC-Spannung an einer anderen Seite des Transformators. Die erste AC-Spannung, die auf der AC-Seite des Wechselrichters anliegt, ist damit insbesondere mit der zweiten AC-Spannung gekoppelt, die auf der AC-Seite des Gleichrichters anliegt, indem der T ransformator die erste AC-Spannung auf die zweite AC-Spannung mit dem AC/AC-Übersetzungsverhältnis umsetzt. Damit kann die erste DC-Spannung auf der DC-Seite des Wechselrichters über die erste AC-Spannung und den Transformator ebenfalls von der zweiten AC-Spannung abhängen und über das aktuelle Übersetzungsverhältnis des aktiven Gleichrichters mit der zweiten DC-Spannung gekoppelt sein.

In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung eingerichtet, den Leistungsfluss zwischen ihrer ersten Seite und ihrer zweiten Seite durch Einstellen des DC/AC-Übersetzungsverhältnisses des Wechselrichters und/oder des AC/AC-Übersetzungsverhältnisses des Transformators zu beeinflussen. Diese Beeinflussung erfolgt damit zusätzlich zu der Beeinflussung über das AC- /DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters. Hierdurch ergeben sich weitere Freiheitsgrade für die Auslegung des Energieumwandlungssystems, insbesondere für die Dimensionierung anschließbarer PV-Generatoren und Elektrolyseure, wobei durch eine jeweilige Systemauslegung und dynamische Anpassung von Übersetzungsverhältnissen eine Optimierung des Leistungsflusses erreicht werden kann, ohne dass die Hardware der Vorrichtung zwingend verändert werden muss.

In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist der Wechselrichter so ausgeführt, dass er bei geeigneter Ansteuerung die Funktion des aktiven Gleichrichters ausführen kann, und umgekehrt, dass der aktive Gleichrichter die Funktion des Wechselrichters ausführen kann. Dazu weisen der Wechselrichter und der aktive Gleichrichter insbesondere das gleiche Gehäuse und insbesondere die gleiche leistungselektronische Schaltung auf. In einer Ausführungsform können der aktive Gleichrichter und der Wechselrichter von der Hardwareausstattung gleich sein und sich lediglich durch die Ansteuerung der Halbleiterschalter unterscheiden, welche die Funktion „aktiver Gleichrichter“ oder „Wechselrichter“ definiert. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass vorhandene Hardware flexibel für verschiedene Zwecke eingesetzt werden kann.

In einer Ausführungsform ist der Wechselrichter über ein AC-Netz mit dem Transformator verbunden und es ist zumindest ein weiterer Wechselrichter mit dem AC-Netz verbunden, wobei der weitere Wechselrichter auf seiner DC-Seite mit einem weiteren PV-Generator oder einem elektrischen Energiespeicher verbindbar ist. Durch ein solches insbesondere lokal begrenztes und bevorzugt nicht mit einem Energieversorgungsnetz verbundenes AC-Netz ist es möglich, elektrische Leistung, die von weiteren DC-Einheiten, z. B. weiteren PV- Generatoren oder z. B. Batterien, erzeugt bzw. vorgehalten wird, in den Elektrolyseur einzuspeisen.

Ein Verfahren zum Umwandeln elektrischer Leistung zwischen einem PV-Generator und einem Elektrolyseur weist die Schritte auf:

• Umwandeln von einer durch den PV-Generator bei einer ersten DC-Spannung erzeugten PV-Leistung in eine AC-Leistung mit einer ersten AC-Spannung durch einen Wechselrichter.

• Transformieren der AC-Leistung durch einen Transformator in eine AC-Leistung mit einer zweiten AC-Spannung.

• Umwandeln der AC-Leistung in eine DC-Leistung durch einen aktiven Gleichrichter. Die DC-Leistung wird dabei bei einer zweiten DC-Spannung in den Elektrolyseur eingespeist. Der Leistungsfluss zwischen PV-Generator und Elektrolyseur wird durch den aktiven Gleichrichter beeinflusst, indem er ein AC/DC-Übersetzungsverhältnisses zwischen der zweiten AC-Spannung und der zweiten einstellt. Das Verfahren kann z. B. auf einer der oben beschriebenen Vorrichtungen ausgeführt werden. Das Einstellen durch den aktiven Gleichrichter kann durch eine Steuerung gesteuert werden, welche z. B. im aktiven Gleichrichter angeordnet sein kann.

In einer Ausführungsform des Verfahrens liegt die erste DC-Spannung auf einer DC-Seite des Wechselrichters und damit am angeschlossenen PV-Generator an. Die erste AC-Spannung liegt auf einer AC-Seite des Wechselrichters am Transformator an. Die zweite AC-Spannung liegt auf einer AC-Seite des aktiven Gleichrichters an. Die zweite DC-Spannung liegt auf einer DC-Seite des Gleichrichters am Elektrolyseur an. Sowohl die erste DC-Spannung als auch die zweite DC-Spannung hängen vom eingestellten AC/DC-Übersetzungsverhältnis des aktiven Gleichrichters ab.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Leistungsfluss ausgehend von einer ersten DC-Spannung, die einer Leerlaufspannung des PV-Generators entspricht, und einer zweiten DC-Spannung, die einer Ruhespannung des Elektrolyseurs entspricht, dadurch vergrößert, dass das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des aktiven Gleichrichters so eingestellt wird, dass sich die erste DC-Spannung verringert und sich die zweite DC-Spannung erhöht, wobei die PV-Leistung entlang einer PV-Kennlinie des PV-Generators in Richtung einer MPP-Leistung und die vom Elektrolyseur aufgenommene DC-Leistung entlang einer Elektrolyse-Kennlinie des Elektrolyseurs in Richtung einer Nennleistung ansteigt. Hierdurch wird gleichzeitig auf den Kennlinien von Elektrolyseur und PV-Generator der jeweilige Arbeitspunkt in Richtung höherer Leistung verschoben, wobei die Leistung ab den jeweiligen Arbeitspunkte weitgehend identisch ist.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des aktiven Gleichrichters so auf einen Ausgangszustand eingestellt, dass die erste DC-Spannung einer Leerlaufspannung des PV-Generators und die zweite DC-Spannung einer Ruhespannung des Elektrolyseurs entspricht. Die Leerlaufspannung des PV-Generators ist dabei eine zu einem Zeitpunkt gegebene Größe, während die Ruhespannung des Elektrolyseurs innerhalb eines Spannungsbereichs unterhalb einer Startspannung angesiedelt sein kann. In dem Ausgangszustand kann das Verhältnis der ersten DC-Spannung zur zweiten DC-Spannung im Wesentlichen dem Produkt aus AC-AC-Übersetzungsverhältnis des Transformators und einem festgelegten DC/AC-Übersetzungsverhältnis des Wechselrichters entsprechen. ln einer Ausführungsform des Verfahrens wird das DC/AC-Übersetzungsverhältnis des Wechselrichters auf einen Wert zwischen 1 und 2, bevorzugt auf einen Wert zwischen 1 ,3 und 1 ,7, z. B. 1 ,5, festgelegt. Dieser Wert ist insbesondere vorteilhaft, um den Ausgangszustand der Vorrichtung und des Verfahrens so einzustellen, dass der Leistungsfluss zwischen erster und zweiter Seite der Vorrichtung optimiert und insbesondere geeignete Arbeitspunkte auf den Kennlinien von PV-Generator und Elektrolyseur erreicht werden können. Zudem ermöglicht die Wahl eines konkreten Wertes des DC/AC-Übersetzungsverhältnisses eine größere Freiheit in der Auswahl der anschließbaren PV-Generatoren und Elektrolyseure, und das Verfahren kann optimal auf die Bandbreite von absehbaren Änderungen der Kennlinien im Betrieb eingestellt werden, d.h. insbesondere auf witterungs- und einstrahlungsbedingte Verschiebungen der PV-Kennlinie des PV-Generators angepasst werden.

In einer Ausführungsform des Verfahrens kann das AC/AC-Übersetzungsverhältnis des Transformators stufenweise geändert werden, um einen Ausgangszustand zu erreichen, in dem das DC/AC-Übersetzungsverhältnis des Wechselrichters den dafür festgelegten Wert und das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters im Wesentlichen den Wert eins aufweisen. Dieser Zustand ist insbesondere vorteilhaft, um den Ausgangszustand der Vorrichtung und des Verfahrens so einzustellen, dass der Leistungsfluss zwischen erster und zweiter Seite der Vorrichtung optimiert werden kann und insbesondere geeignete Arbeitspunkte auf den Kennlinien von PV-Generator und Elektrolyseur erreicht werden können. Zudem kann die Auswahl des AC/AC-Übersetzungsverhältnisses und dessen Variationsbereich als Freiheitsgrad für die Auslegung des Gesamtsystems genutzt und auf die konkrete relative Lage der Kennlinien von PV-Generator und Elektrolyseur optimiert werden.

Das DC/AC-Übersetzungsverhältnis und das AC/AC-Übersetzungsverhältnis können einmalig oder wiederholt geändert werden, beispielsweise täglich zum morgendlichen Start des Energieversorgungssystems und/oder mehrmals täglich in Reaktion auf Änderungen der Kennlinien, beispielsweise auf witterungs- und einstrahlungsbedingte Verschiebungen der PV- Kennlinie des PV-Generators.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters durch ein Variieren eines Modulationsgrades des aktiven Gleichrichters in Abhängigkeit von einer erfassten Leistung des Leistungsflusses vom PV-Generator in den Elektrolyseur eingestellt. Das AC/DC-Übersetzungsverhältnis, also das Übersetzungsverhältnis des aktiven Gleichrichters, hängt dabei vom Modulationsgrad des aktiven Gleichrichters ab, insbesondere vom Modulationsgrad der Halbleiterschalter des aktiven Gleichrichters.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters schrittweise so verändert, dass die Leistungsabgabe des PV-Generators, also die PV- Leistung, schrittweise vergrößert wird, wobei die Leistungsabgabe bevorzugt vom Ausgangszustand oder von Null auf eine maximale Leistung des PV-Generators vergrößert wird. Ausgehend vom Leerlauf des PV-Generators entspricht dies einer Verringerung der ersten DC-Spannung, welche der PV-Spannung entspricht, von der Leerlauf-Spannung des PV- Generators entlang der PV-Kennlinie in Richtung zu größerer Leistung. Die PV-Leistung kann als Teil des Leistungsflusses elektrischer Leistung vom PV-Generator zum Elektrolyseur fließen.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters wiederholt geändert und die dadurch bewirkte Änderung des Leistungsflusses beobachtet. Das AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters wird dabei nach jeder Änderung so eingestellt, dass die PV-Leistung des PV-Generators sich der MPP-Leistung annähert. Dies kann z. B. einer MPP-Tracking-Regelung entsprechen. In dieser Ausführungsform führt also der aktive Gleichrichter das MPP-Tracking des PV-Generators aus.

In einer Ausführungsform des Verfahrens weist die Vorrichtung einen weiteren Wechselrichter auf, der auf seiner DC-Seite mit einem elektrischen Energiespeicher und auf seiner AC-Seite mit dem Transformator verbunden ist, wobei der weitere Wechselrichter eine einstellbare DC- Speicherleistung mit dem Energiespeicher austauscht.

Ein Energieumwandlungssystem kann einen PV-Generator, einen Elektrolyseur und eine oder mehrere der oben beschriebenen Vorrichtungen zum Umwandeln elektrischer Leistung aufweisen. Ein solches Energieumwandlungssystem kann eingerichtet sein eines oder mehrere der oben beschriebenen Verfahren auszuführen.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Im Folgenden wird die Anmeldung anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

Fig. 1 zeigt beispielhaft ein Energieumwandlungssystem mit einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Umwandeln elektrischer Leistung,

Fig. 2 zeigt beispielhaft ein Energieumwandlungssystem mit einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Umwandeln elektrischer Leistung,

Fig. 3 zeigt beispielhafte Kennlinien eines PV-Generators und eines Elektrolyseurs,

Fig. 4 zeigt beispielhafte Kennlinien eines PV-Generators und eines Elektrolyseurs in einem Energieumwandlungssystem über einer gemeinsamen x-Achse, Fig. 5 zeigt beispielhaft ein Energieumwandlungssystem mit einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Umwandeln elektrischer Leistung,

Figuren 6 -9 zeigen Kennlinien für eine beispielhafte Auslegung der Vorrichtung zum Umwandeln elektrischer Leistung.

FIGURENBESCHREIBUNG

Fig. 1 zeigt schematisch ein Energieumwandlungssystem 100 mit einer Vorrichtung 10 zum Umwandeln elektrischer Leistung. Ein PV-Generator 12 wird über die Vorrichtung 10 mit einem Elektrolyseur 14 verbunden. Die Vorrichtung 10 umfasst einen Wechselrichter 16, einen Transformator 18 und einen aktiven Gleichrichter 20. Der Wechselrichter 16 und der Gleichrichter 20 sind hinsichtlich ihrer wesentlichen Eigenschaften baugleich, d.h. sie weisen insbesondere das gleiche Gehäuse und die gleiche leistungselektronische Schaltung auf. Die zur Verfügung stehende PV-Leistung P_PV des PV-Generators 12 wird in der Vorrichtung 10 umgewandelt und steht als Elektrolyse-Leistung P_P2G direkt zur Nutzung im Elektrolyseur 14 zur Verfügung, insbesondere zur Wasserstofferzeugung.

Wenn zum Systemstart genügend PV-Leistung P_PV aus dem PV-Generator 12 zur Verfügung steht, kann über den Wechselrichter 16 eine erste AC-Spannung U_AC1 mit einem Sollwert in einem Bereich von z.B. 350 bis 690V und mit einer Frequenz von z. B. 50 Hz oder 60Hz oder bei Bedarf einer anderen Frequenz zwischen z.B. 20 Hz und 100 Hz erzeugt und an eine Seite des Transformators 18 angelegt werden. Dadurch wird der Transformator 18 vormagnetisiert, wobei es für das Aufbauen der Vormagnetisierung günstig sein kann, die Amplitude der vom Wechselrichter erzeugten ersten AC-Spannung U_AC1 über eine Rampe bis auf den Sollwert zu erhöhen.

Der Wechselrichter 16 ist dazu eingerichtet, die an der DC-Seite anliegende erste DC- Spannung U_PV, die im Wesentlichen der PV-Spannung U_PV entspricht, von der DC- auf die AC-Seite mit einem DC/AC-Übersetzungsverhältnis tiefzusetzen, so dass die erste DC- Spannung U_PV (und damit die PV-Spannung U_PV) oberhalb der Amplitude der Leiter- Leiterspannung erzeugten ersten AC-Spannung U_AC1 liegt.

Die zweite AC-Spannung U_AC2, die an der AC-Seite des aktiven Gleichrichters 20 anliegt, ergibt sich aus der ersten AC-Spannung auf der AC-Seite des Wechselrichters 18 dividiert durch das AC/AC-Übersetzungsverhältnis des Transformators 18. Beträgt das AC/AC- Übersetzungsverhältnis des T ransformators 18 also z. B. 1 ,5, so wird die zweite AC-Spannung U_AC2 auf 2/3 des Wertes der ersten AC-Spannung U_AC1 transformiert. Die zweite AC- Spannung U_AC2 an der AC-Seite des aktiven Gleichrichters 20 beträgt z. B. 350V bis 690V und ist insbesondere im Betrieb nicht auf einen festen Wert festgelegt, sondern kann in Abhängigkeit vom eingestellten AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters 20 bzw. vom gewünschten Leistungsfluss variieren.

Fig. 2 zeigt mögliche Erweiterungen des Energieumwandlungssystems 100. Durch Anbindung eines Speichers 26 über einen bidirektionalen Wechselrichter 17 am Transformator 18 kann etwaige überschüssige PV-Leistung P_PV eingespeichert und der Elektrolysebetrieb in Zeiten geringer PV-Leistung P_PV durch Entnahme von Energie aus dem Speicher 26 gestützt bzw. aufrechterhalten werden. Weiterhin kann mehr als ein PV-Generator 12 an den Transformator 18 angebunden werden. Es können mehrere PV-Generatoren 12 über jeweils einen eigenen Wechselrichter 16 angebunden werden. Wenn die PV-Generatoren 12 unterschiedliche Kennlinien aufweisen, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Stringlängen, und damit bei unterschiedlichen PV-Spannungen U_PV optimal betrieben werden, können die DC/AC- Übersetzungsverhältnisse der Wechselrichter 16 entsprechend angepasst werden, so dass die Wechselrichter dieselbe erste AC-Spannung U:AC erzeugen. Die Anbindung der PV- Generatoren 12 und des Speichers 26 an den Transformator kann über ein lokales AC-Netz 28 erfolgen, das insbesondere nicht mit einem öffentlichem Netz verbunden ist.

Auch eine Erdung des Elektrolyseurs 14 oder der PV-Generatoren 12 oder des Speichers 26 ist möglich (Speicher 26 und PV-Generator 12 liegen auf gleichem Potential gegen Erde). Durch den Transformator 18 sind der PV-Generator 12 und ggf. der Speicher 26 galvanisch vom Elektrolyseur 14 getrennt.

Fig. 3 zeigt beispielhafte Kennlinien eines PV-Generators 12 und eines Elektrolyseurs 14. Die PV-Kennlinie von Fig. 3 a) stellt die Abhängigkeit des vom PV-Generator 12 erzeugten Stroms l_PV, dem ersten DC-Strom, von der an den PV-Generator 12 angelegten Spannung U_PV bei gegebenen äußeren Bedingungen (Temperatur, Einstrahlung usw.) dar. Die PV-Kennlinie der PV-Leistung P_PV weist einen Punkt maximaler Leistung M _PP auf, d.h. eine Spannung, bei der das Produkt aus Strom und Spannung maximal ist. Die maximale PV-Leistung P_PV wird auch als MPP-Leistung bezeichnet. Zur bestmöglichen Nutzung der eingestrahlten Solarenergie wird der PV-Generator 12 deshalb von einer Regelung geregelt, die bestrebt ist, den Punkt maximaler Leistung einzustellen, indem die PV-Spannung U_PV geeignet variiert und die korrespondierende Änderung der PV-Leistung P_PV beobachtet wird. Dazu kann eine Messung des PV-Stroms l_PV in Abhängigkeit von der eingestellten PV-Spannung U_PV verwendet werden. Bevorzugt ist diese Regelung in der Vorrichtung 10 zur Leistungswandlung angeordnet. Insbesondere kann die Steuerung der Vorrichtung 10 und/oder die Steuerung des aktiven Gleichrichters 20 diese Regelungsaufgabe zusätzlich wahrnehmen.

Ein Elektrolyseur 14 weist z. B. eine Elektrolyse-Kennlinie des Elektrolyse-Stromes l_P2G wie in Fig. 3 B) dargestellt auf, die die Abhängigkeit des vom Elektrolyseur 14 aufgenommenen Elektrolyse-Stroms l_P2G von der an den Elektrolyseur 14 angelegten zweiten Spannung U_P2G darstellt. Die Elektrolyse-Kennlinie des Elektrolyse-Stromes l_P2G weist einen Ruhespannungsbereich und eine Startspannung U _z auf, wobei der Elektrolyseur 14 unterhalb der Startspannung U _z im Ruhespannungsbereich und damit im Leerlauf ist sowie oberhalb der Startspannung V _z im Elektrolysebetrieb betrieben werden kann. Eine Leistungs-Kennlinie des Elektrolyseurs 14 ergibt sich aus der Multiplikation von Elektrolyse-Strom und Elektrolyse- Spannung U_P2G und weist einen vergleichbaren, mit der zweiten DC-Spannung U_P2G monoton steigenden Verlauf auf, der bei der dargestellten weitgehend linearen Elektrolyse- Kennlinie des Stromes l_P2G weitgehend einer quadratischen Funktion entspricht.

Bei einem Verfahren zur Umwandlung elektrischer Leistung startet der aktive Gleichrichter 20 bei Systemstart mit der Vorladung des eigenen DC-Zwischenkreises. Dazu bezieht der aktive Gleichrichter 20 elektrische AC-Leistung P_AC über den Transformator 18, der mittels des Wechselrichters 12 unter Verwendung von PV-Leistung vormagnetisiert ist. Die vom Gleichrichter 20 bezogene AC-Leistung wird vom Wechselrichter 16 aus dem PV-Generator 12 entnommen und über den Transformator 18 und den Gleichrichter 20 zunächst als Vorladeleistung in eine Kapazität auf der DC-Seite des Gleichrichters 20 eingespeist. Da der Gleichrichter 20 hinsichtlich der leistungselektronischen Schaltung bevorzugt baugleich mit dem Wechselrichter 16 ist und daher von seiner DC-Seite nach seiner AC-Seite als Tiefsetzsteller wirkt, ist die zweite DC-Spannung U_P2G auf der DC-Seite des Gleichrichters 20 größer als die Amplitude der zweiten AC-Spannung U_AC2 auf der AC-Seite des Gleichrichters 20. Der Gleichrichter 20 wirkt als Tiefsetzsteller in Richtung der zweiten AC-Spannung U_AC2 mit einem AC/DC-Übersetzungsverhältnis, das sich durch die zweite AC-Spannung U_AC2 geteilt durch die zweite DC-Spannung U_P2G ergibt. Für den beschriebenen Tiefsetzsteller ist das AC/DC-Übersetzungsverhältnis nach dieser Definition also kleiner 1 . Anders ausgedrückt wird die zweite AC-Spannung U_AC2 über den als Hochsetzsteller betriebenen Gleichrichter 20 in die zweite DC-Spannung U_P2G umgewandelt, wobei die DC-Spannung größer als die Amplitude der zweiten AC-Spannung U_AC2 ist.

Die Energie in der mit der zweiten DC-Spannung U_P2G aufgeladenen Kapazität des Gleichrichters 20 (oder optional die vom Transformator 18 bei der zweiten AC-Spannung U_AC2 bereitgestellte Leistung) kann dazu genutzt werden, eine optionale Hilfsversorgung 22 zur Verfügung zu stellen, die insbesondere für die Peripherie eines Elektrolyseurs 14 genutzt werden kann (z. B. Pumpen, Heizungen u.ä.). Je nach erforderlicher Spannungsform der Hilfsversorgung 22 und je nach Spannungsquelle der Hilfsversorgung 22 kann das Stellen der Hilfsspannung in der Hilfsversorgung 22 über einen weiteren Wechselrichter oder einen Gleichspannungswandler aus der DC-Seite des Gleichrichters 20 oder über einen Umrichter oder einen Gleichrichter aus der AC-Seite des Gleichrichters 20 erfolgen. Die Hilfsversorgung kann als Hilfsaggregate also optional einen weiteren Wechselrichter oder einen Gleichspannungswandler aufweisen, welcher mit der DC-Seite des aktiven Gleichrichters 20 verbunden ist. Die Hilfsversorgung kann als Hilfsaggregate optional einen Umrichter oder einen Gleichrichter aufweisen, welcher mit der AC-Seite des aktiven Gleichrichters 20 verbunden ist. Dabei kann die Hilfsversorgung einen elektrischen Speicher umfassen, um Auswirkungen von Spannungsschwankungen am Ausgang des aktiven Gleichrichters 20 oder von Schwankungen der PV-Leistung P_PV auf die Spannung der Hilfsversorgung 22 zu dämpfen.

Sobald auch der Elektrolyseur 14 startfähig ist und Leistung aufnehmen kann, wird der DC- seitige Schalter 24 geschlossen und das Verfahren zur Umwandlung elektrischer Leistung geht über vom Systemstart in den Elektrolysebetrieb.

Im Elektrolysebetrieb der Vorrichtung 10 im Energieumwandlungssystem 100 übernimmt der Gleichrichter 20 die Aufgabe, die zweite AC-Spannung U_AC2 mit einer vorgegebenen Frequenz und variabler Amplitude zu stellen, indem er anhand eines variablen Taktverhältnisses das Verhältnis aus der zweiten DC-Spannung U_P2G am Elektrolyseur 14 und der zweiten AC-Spannung U_AC2 am Transformator 18 einstellt. Dieses Verhältnis entspricht dem AC/DC-Übersetzungsverhältnis.

Im Elektrolysebetrieb wandelt der Wechselrichter 16 die an seiner AC-Seite anliegende erste AC-Spannung U_AC1 , d.h. die vom Transformator 18 anhand des AC/AC-Übersetzungs- verhältnisses übersetzte zweite AC-Spannung U_AC2 am Gleichrichter 20, in eine zweite DC- Spannung U_PV auf seiner DC-Seite, die im Elektrolysebetrieb am PV-Generator 12 anliegt. Dabei verwendet der Wechselrichter 16 bevorzugt ein festes DC/AC-Übersetzungsverhältnis, sodass die Spannung des PV-Generators U_PV über den Zusammenhang

U _PV = UDCWR = 2 x ü x U _AC

(mit U_PV=U _PV =UDCWR und ü: DC/AC-Übersetzungsverhältnis und U _AC Amplitude der zweiten AC-Spannung) direkt von der eingestellten zweiten AC-Spannung U_AC2 des Gleichrichters 20 abhängt. Anders ausgedrückt, der Wechselrichter 16 erzeugt aus der DC-Spannung U_PV eine AC- Spannung, die der vom Gleichrichter 20 gestellten und über den Transformator 18 ggf. skalierten ersten AC-Spannung U_AC1 folgt, und speist einen elektrischen Strom ein, der sich aus der PV-Leistung P_PV bei der resultierenden PV-Spannung U_PV ergibt. Das DC/AC- Übersetzungsverhältnis und damit das Verhältnis aus U_PV und U_AC1 im Leistungsgleichgewicht kann dabei grundsätzlich konstant gehalten werden. lm Elektrolysebetrieb kann eine Regelung der Vorrichtung 10 Leistungssollwerte verwenden, die eine vom Elektrolyseur 14 zu verbrauchende Leistung angeben. Der aktive Gleichrichter 20 stellt die vorgegebene Leistung z. B. mittels seiner Steuerung ein, indem das AC/DC- Übersetzungsverhältnis zwischen zweiter AC-Spannung U_AC2 auf der AC-Seite des aktiven Gleichrichters 20 und zweiter DC-Spannung U_P2G am Elektrolyseur 14 variiert wird. Bei einem gegebenen Wert des AC/DC-Übersetzungsverhältnisses stellt sich ein Leistungsgleichgewicht zwischen dem AC-Eingang und dem DC-Ausgang des aktiven Gleichrichters 20 ein, indem die vom PV-Generator 12 gelieferte Leistung der vom Elektrolyseur 14 abgenommenen Leistung entspricht, zumindest bei vernachlässigbaren Verlusten im Gesamtsystem. Dabei stellen sich Arbeitspunkte auf der PV-Kennlinie P_PV und der Elektrolyse-Kennlinie des Stromes l_P2G ein, deren Spannungen in einem Verhältnis zueinander stehen, das dem Gesamt-Übersetzungsverhältnis der Vorrichtung 10 entspricht, d.h. dem Produkt der Übersetzungsverhältnisse von Wechselrichter 16, Transformator 18 und Gleichrichter 20. Dies entspricht dem Produkt von DC/AC-Übersetzungsverhältnis, AC/AC- Übersetzungsverhältnis und AC/DC-Übersetzungsverhältnis.

Es kann sowohl die PV-Leistung P_PV als auch die Elektrolyse-Leistung P_P2G gesteigert werden, indem ausgehend von einem AC/DC-Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters 20 von Eins, bei dem unter Berücksichtigung des AC/AC-Übersetzungsverhältnisses des Transformators 18 sowohl der PV-Generator 12 im Leerlauf als auch der Elektrolyseur 14 bei einer Ruhespannung sind, das AC/DC-Übersetzungsverhältnis dahingehend geändert wird, dass die AC-Spannungen und damit die PV-Spannung U_PV sinkt und die zweite DC- Spannung U_P2G und damit die Elektrolyseur-Spannung steigt. Dabei wandern der Arbeitspunkt des PV-Generators 12 auf der PV-Kennlinie in Richtung des MPP und der Arbeitspunkt des Elektrolyseurs 14 auf der Elektrolyse-Kennlinie des Stromes l_P2G in Richtung Nennleistung. Es stellt sich ein Gesamt-Arbeitspunkt der Vorrichtung 10 ein, bei dem das Verhältnis aus zweiter DC-Spannung U_P2G und erster DC-Spannung U_PV dem Gesamt-Übersetzungsverhältnis der Vorrichtung 10 entspricht sowie gleichzeitig die PV- Leistung P_PV gleich der DC-Leistung P_P2G ist. Wenn die geforderte Leistung des Elektrolyseurs 14 oberhalb der maximalen MPP-Leistung des PV-Generators 12 liegt, geht die Steuerung des aktiven Gleichrichters 20 in ein MPP-Tracking über, bei dem die Variation der zweiten AC-Spannung U_AC2 durch den aktiven Gleichrichter 20 derart durchgeführt wird, dass die maximal mögliche PV-Leistung P_PV vom PV-Generator abgerufen wird, zumindest solange diese im Nennleistungsbereich des Elektrolyseurs 14 liegt und vom Elektrolyseur 14 und/oder einem Speicher 26 verarbeitet werden kann.

Es ist ebenfalls möglich, das Gesamt-Übersetzungsverhältnis der Vorrichtung 10 und damit das Verhältnis aus zweiter DC-Spannung U_P2G am Elektrolyseur 14 und erster DC- Spannung U_PV am PV-Generator 12 zu modifizieren, indem alternativ oder zusätzlich zum AC/DC-Übersetzungsverhältnis das AC/AC-Übersetzungsverhältnis und/oder das DC/AC- Übersetzungsverhältnis verändert werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um beim Systemstart mit einem AC/DC- Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters 20 von Eins oder nahe Eins ein Verhältnis der DC-Spannungen zueinander zu erhalten, bei dem sich sowohl der PV-Generator 12 im Leerlauf als auch der Elektrolyseur 14 bei einer Ruhespannung befinden. Ausgehend von diesem Startzustand kann der Leistungsfluss vom PV-Generator 12 zum Elektrolyseur 14 angestoßen und gesteigert werden, indem wiederum das AC/DC- Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters 20 modifiziert wird, so dass die zweite DC- Spannung U_PV und damit die PV-Spannung sinkt und die zweite DC-Spannung U_P2G und damit die Elektrolyseur-Spannung steigt.

Der Transformator kann grundsätzlich ein AC/AC-Übersetzungsverhältnis gleich eins aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel könnten die Kennlinien des PV-Generators 12 und des Elektrolyseurs 14 so ausgelegt werden, dass sie im Startzustand, d.h. bei einem AC/DC- Übersetzungsverhältnis und DC/AC-Übersetzungsverhältnis von Eins oder nahe Eins wie in Fig. 4 dargestellt „nebeneinander“ liegen, d.h. die Startspannung U _z des Elektrolyseurs 14 müsste (knapp) oberhalb der Leerlaufspannung U ₀ /c des PV-Generators 12 liegen. In einem „Ruhezustand“, d.h. nach dem Vorladen bzw. Vormagnetisieren der Komponenten mit einer festen Taktung des Wechselrichters 16, ergibt sich dadurch die in Fig. 4 dargestellte Situation, dass die Leerlaufspannung U ₀ /c des PV-Generators 12, die die anderen Spannungen innerhalb des Systems in der Aufstartphase beeinflusst hat, zu einer zweiten DC-Spannung U_P2G am Elektrolyseur 14 führt, die im Wesentlichen der Leerlaufspannung U ₀ /c des PV- Generators 12 entspricht, da die zwischen PV-Generator 12 und Elektrolyseur 14 liegenden Komponenten Wechselrichter 16, Transformator 18 und Gleichrichter 20 im Ruhezustand jeweils ein Übersetzungsverhältnis von (nahe) Eins aufweisen können.

Für eine solche Auslegung des Energieumwandlungssystems 100 kann sich die Notwendigkeit eines recht hohen Spannungsbereichs des Elektrolyseurs 14 ergeben. Insbesondere müsste die Startspannung des Elektrolyseurs im Wesentlichen oberhalb der Leerlaufspannung des PV-Generators 12 liegen. Um einen Elektrolyseur 14 mit einer niedrigeren Startspannung verwenden zu können, d.h. um die Lage der Elektrolyseur-Kennlinie in Fig. 4 relativ zur PV- Kennlinie zu kleineren Spannungen hin zu verschieben, kann der Transformator 18 ein AC/AC- Übersetzungsverhältnis aufweisen, dass die PV-seitig anliegende erste AC-Spannung U_AC1 in eine deutlich niedrigere Elektrolyseurseitige zweite AC-Spannung U_AC2 transformiert. Dadurch kann in Fig. 4 - je nach Sichtweise - die Elektrolyseur-Kennlinie an sich bei deutlich niedrigeren Spannungen liegen, d.h. beispielsweise ein Elektrolyseur 14 kleinerer Leistung verwendet werden, bzw. die PV-Kennlinie bei deutlich höheren Spannungen liegen, d.h. ein größerer PV-Generator 12 verwendet werden. Dabei „verschiebt“ der Transformator 18 die Kennlinien anhand seines AC/AC-Übersetzungsverhältnisses gegeneinander, so dass im Startzustand wiederum sowohl der PV-Generator 12 im Leerlauf als auch der Elektrolyseur 14 bei einer Ruhespannung sind. Das Grundprinzip der Regelung bleibt davon weitgehend unbeeinflusst, so dass das AC/AC-Übersetzungsverhältnis des Transformators 18 einen Freiheitsgrad darstellt, der bei der Auslegung des Energieumwandlungssystems und/oder bei Änderungen der Umgebungsbedingungen, beispielsweise bei Änderungen der Einstrahlung und/oder der Temperatur und daraus ggf. folgenden Änderungen insbesondere der PV- Kennlinie, genutzt werden kann, um die Arbeitsbereiche von PV-Generator 12 und Elektrolyseur 14 aneinander anzupassen.

Es wird also ermöglicht, die Elektrolyse-Kennlinie und die PV-Kennlinie recht einfach durch Einstellen des AC/AC-Übersetzungsverhältnisses des Transformators 18 geeignet gegeneinander zu verschieben. Elektrolyse-Kennlinien können wie PV-Kennlinien in Bezug auf den Strom und/oder in Bezug auf die Leistung angegeben werden. Dies kann einerseits bereits bei der Auslegung des Energieumwandlungssystems 100 geschehen und/oder andererseits im Betrieb des Energieumwandlungssystems 100 durch (dynamisches) Ändern des AC/AC-Übersetzungsverhältnisses des Transformators 18 erzielt werden, beispielsweise über einen Stufenschalter. Alternativ oder zusätzlich können die Kennlinien z.B. zur Kompensation äußerer Einflüsse wie z. B. Einstrahlung, Temperatur mittels einer Variation des im Betrieb an sich festen DC/AC-Übersetzungsverhältnisses des Wechselrichters 16 geeignet gegeneinander verschoben werden.

Fig. 5 zeigt eine konkrete Ausführungsform eines Energieumwandlungssystems 100 mit einer Ausführungsform der Vorrichtung 10 zum Umwandeln elektrischer Leistung und mit Bezeichnung der verschiedenen im Betrieb auftretenden Spannungen und Ströme.

Der PV-Generator 12 speist PV-Leistung P_PV bei der ersten DC-Spannung U_PV und dem PV-Strom l_PV in die DC-Seite des Wechselrichters 16 ein. Der Wechselrichter 16 setzt diese PV-Leistung P_PV in eine erste AC-Leistung P_AC1 um. Der Wechselrichter 16 wirkt als Tiefsetzsteller von seiner DC-Seite nach seiner AC-Seite, d. h. die Leiter-Leiterspannung der ersten AC-Spannung U_AC1 auf seiner drei-phasigen AC-Seite ist kleiner als die erste DC- Spannung U_PV auf seiner DC-Seite. Das Tiefsetzen erfolgt dabei mit dem DC/AC- Übersetzungsverhältnis.

Auf der AC-Seite des Wechselrichters 16 ist ein Transformator 18 mit dem AC/AC- Übersetzungsverhältnis angeschlossen. Er transformiert die erste AC-Spannung U_AC1 in die zweite AC-Spannung U_AC2 und setzt damit die erste AC-Leistung P_AC1 in eine zweite AC- Leistung P_AC2 um. Der Transformator 18 wird gespeist von dem ersten AC-Strom l_AC1 . Die zweite AC-Spannung U_AC2 liegt auf der AC-Seite des aktiven Gleichrichters 20 an und der zweite AC-Strom l_AC2 fließt in den Gleichrichter 20, so dass der Gleichrichter 20 die zweite AC-Leistung P_AC2 aufnimmt. Der Gleichrichter 20 setzt die zweite AC-Leistung P_AC2 in eine DC-Leistung P_P2G um. Der aktive Gleichrichter 20 wirkt von seiner DC-Seite nach seiner AC-Seite als Tiefsetzsteller. Der aktive Gleichrichter 20 wirkt also von seiner AC- Seite nach seiner DC-Seite als Hochsetzsteller mit dem AC/DC-Übersetzungsverhältnis.

Auf seiner DC-Seite speist der aktive Gleichrichter 20 den Elektrolyseur 14 und versorgt ihn mit der DC-Leistung P_P2G bei der zweiten DC-Spannung U_P2G und mit dem zweiten DC- Strom l_P2G, wobei die zweite DC-Spannung U_P2G und der zweite DC-Strom über die Elektrolyse-Kennlinie des Elektrolyseur 14 miteinander verknüpft sind.

In Fig. 6 bis Fig. 9 sind beispielhaft verschiedene Kennlinien und Arbeitspunkte einer Auslegung des Energieumwandlungssystems 100 mit der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 5 dargestellt.

Fig. 6 stellt das Verhalten eines PV-Generators 12 in Abhängigkeit von der Spannung dar, wobei zwischen Strom und Leistung einerseits und zwischen DC und AC andererseits unterschieden wird. In Fig. 6 stellt die mit Strichpunkten dargestellte Kennlinie die PV-Leistung P_PV über der ersten DC-Spannung U_PV für ein Beispiel eines PV-Generators 12 dar. Die mit Strichzweipunkten dargestellte Kennlinie stellt den ersten DC-Strom l_PV über der ersten DC-Spannung U_PV für den gleichen PV-Generator 12 dar. Die durchgezogen dargestellte Kennlinie stellt die erste AC-Leistung P_AC1 über der ersten AC-Spannung U_AC1 auf der AC-Seite des Wechselrichters 16 dar. Die gestrichelt dargestellte Kennlinie stellt den ersten AC-Strom l_AC1 über der ersten AC-Spannung U_AC1 dar. Aufgetragen ist der Summenstrom l_AC1 in allen drei Leitern für Leiter-Leiterspannungen U_AC1. Das DC/AC- Übersetzungsverhältnis ist im dargestellten Beispiel U_PV/U_AC1 = 1 ,5. Die Amplitude der ersten DC-Spannung U_PV des Wechselrichters 16 ist in diesem Beispiel während des Betriebs dauerhaft um den Faktor 1 ,5 größer als die Amplitude der Leiter-Leiterspannung der ersten AC-Spannung U_AC1 auf der AC-Seite des Wechselrichters 16.

Weist der Transformator 18 ein AC/AC-Übersetzungsverhältnis von 1 auf und wird eine verlustlose Übertragung angenommen, so ist die Amplitude der zweiten AC-Spannung U_AC2 am Gleichrichter 20 gleich groß wie die Amplitude der ersten AC-Spannung U_AC1 des Wechselrichters 16. Es ist z. B. auch möglich, das AC/AC-Übersetzungsverhältnis des Transformators 18 mit U_AC1/U_AC2=1 ,5 zu wählen und das DC/AC-Übersetzungsverhältnis des Wechselrichters 16 mit U_PV/U_AC1=1 ,5 zu wählen. Dann sind die Amplituden von U_AC1 und U_AC2 nicht mehr gleich, aber das Verhältnis von l_PV und P_PV zu l_AC2 und P_AC2 ähnelt dem in Fig. 6 dargestellten Verhältnis von l_PV und P_PV zu l_AC1 und P_AC1 . Fig. 7 zeigt jeweils einen Ausschnitt der PV-Kennlinie P_PV des PV-Generators 12, der entsprechenden PV-Kennlinie P_AC2 auf der AC-Seite des aktiven Gleichrichters 20, und der Elektrolyse-Kennlinie P_P2G auf der DC-Seite des aktiven Gleichrichters 20. Die dargestellten Ausschnitte beziehen sich dabei auf die erwähnten Kennlinien bei geringer Einstrahlung auf den PV-Generator 12, beispielsweise morgens. Dabei stellt die mit Strichpunkten dargestellte PV-Kennlinie die PV-Leistung P_PV über der ersten DC-Spannung U_PV den PV-Generators 12 dar. Die durchgezogen dargestellte Kennlinie stellt die zweite AC-Leistung P_AC2 über der zweiten AC-Spannung U_AC2 auf der AC-Seite des Gleichrichters 20 dar. Die gepunktet dargestellte Kennlinie stellt die Elektrolyse-Leistung P_P2G über der zweiten DC-Spannung U_P2G dar. Die dargestellte Elektrolyse-Kennlinie der Elektrolyse-Leistung P_P2G zeigt die Leistung, die in der Elektrolyse verbraucht wird, in Relation zur an den DC-Klemmen des Gleichrichters 20 anliegenden zweiten DC-Spannung U_P2G.

In Fig. 7 sind Punkte AP1 auf den dargestellten Kennlinien markiert. Diese Arbeitspunkte AP1 werden bei geringer Einstrahlung zu einer Startphase des Energieumwandlungssystems 100 verwendet, also bei sehr geringer Leistung im Vergleich zur Nennleistung des Elektrolyseurs (hier: 10 kW bei ca. 1000 kW Nennleistung, vergl. Fig. 8). Bei diesem Arbeitspunkt AP1 hat der PV-Generator 12 genügend Leistung zur Verfügung zur Deckung von Verlusten sowie für den Magnetisierungsstrom des Transformators 18, zur Vorladung des Elektrolyseurs 14 und zur Versorgung der Hilfsaggregate der Hilfsversorgung 22. Die zur Verfügung stehende Leistung bei einer am PV-Generator 12 anliegenden Spannung von 850 V beträgt im dargestellten Beispiel 10 kW. Auf der AC-Seite des Wechselrichters 16 ergeben sich im Arbeitspunkt AP1 für die erste AC-Spannung U_AC 1=566 V, bedingt durch das gewählte DC/AC-Übersetzungsverhältnis von 1 ,5. Für die zweite AC-Spannung U_AC2 ergeben sich bei einem gewählten AC/AC-Übersetzungsverhältnis von 1 ebenfalls U_AC2=566 V. Im Ausgangszustand des Energieumwandlungssystems, d.h. nach der Vorladung der Komponenten, liegt am Elektrolyseur 14 eine Ruhespannung von ebenfalls ca. 566 V an, solange das AC/DC- Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters 20 gleich oder nahe eins ist.

In der Startphase beginnt der Gleichrichter 20 mit der Vorladung des Elektrolyseurs 14 auf U_P2G=720 V, indem das AC/DC-Übersetzungsverhältnis so geändert wird, dass die zweite DC-Spannung U_P2G erhöht wird. Sobald die Startspannung des Elektrolyseurs 20 von U_P2G=700 V erreicht ist, sinkt gleichzeitig die zweite AC-Spannung U_AC2 und damit auch die PV-Spannung U_PV. Dadurch steigen sowohl die PV-Leistung P_PV bzw. die damit gekoppelte zweite AC-Leistung P_AC2 als auch die Elektrolyse-Leistung P_P2G an. Es stellt sich ein Leistungsgleichgewicht ein, dass in Fig. 7 bei einem gegebenen AC/DC- Übersetzungsverhältnis einen Leistungsfluss von etwa 10 kW vom PV-Generator 12 in den Elektrolyseur 14 ergibt. Sinkt in der Startphase die zur Verfügung stehende Leistung auf z. B. unter 2 kW ab, so geht das Energieumwandlungssystem 100 wieder in den Ruhezustand. Möglich wäre hier auch das Vorsehen eines Energiespeichers zur Pufferung von Leistung für die Startphase, z. B. für die Hilfsaggregate der Hilfsversorgung, Verluste oder ähnliches.

Figuren 8 und 9 zeigen jeweils die PV-Kennlinien l_PV, P_PV des PV-Generators 12, die damit gekoppelten PV-Kennlinien l_AC2, P_AC2 auf der AC-Seite des aktiven Gleichrichters 20, sowie die Elektrolyse-Kennlinien l_P2G, P_P2G des Elektrolyseurs 14 auf der DC-Seite des aktiven Gleichrichters 20. Die Einstrahlung auf den PV-Generator 12 ist hier höher als bei den Kennlinien von Fig. 7.

In den Figuren 8 und 9 stellt die mit Strichpunkten dargestellte PV-Kennlinie die PV-Leistung P_PV über der ersten DC-Spannung U_PV am PV-Generator 12 dar. Die mit Strichzweipunkten dargestellte PV-Kennlinie stellt den PV-Strom l_PV über der PV-Spannung U_PV am PV-Generator 12 dar. Die durchgezogen dargestellte PV-Kennlinie stellt die zweite AC-Leistung P_AC2 über der zweiten AC-Spannung U_AC2 auf der AC-Seite des Gleichrichters 20 dar. Die schmal-gestrichelt dargestellte Kennlinie stellt den zweiten AC- Strom l_AC2 über der zweiten AC-Spannung U_AC2 dar. Aufgetragen ist der Summenstrom l_AC2 in allen drei Leitern für Leiter-Leiterspannungen U_AC2, der bei gleicher Leistung höher ist als der erste DC-Strom l_PV, da die Spannung U_AC2 kleiner als die Spannung U_PV ist, während die Leistungen P_DC und P_AC2 jedoch identisch sind.

Die gepunktet dargestellte Kennlinie stellt die Elektrolyse-Leistung P_P2G über der Elektrolyse-Spannung U_P2G dar. Die breit-gestrichelt dargestellte Kennlinie stellt den Elektrolyse-Strom l_P2G über der Elektrolyse-Spannung U_P2G dar. Die dargestellte Elektrolyse-Kennlinie der Elektrolyse-Leistung P_P2G zeigt die Leistung, die in der Elektrolyse verbraucht wird, in Relation zur an den DC-Klemmen des Gleichrichters 20 anliegenden Elektrolyse-Spannung U_P2G. Die dargestellte Elektrolyse-Kennlinie des Elektrolyse-Stromes l_P2G zeigt den Strom, der in den Elektrolyseur fließt, in Relation zur an den DC-Klemmen des Gleichrichters 20 anliegenden Elektrolyse-Spannung U_P2G.

In Fig. 8 ist der Betrieb des Energieumwandlungssystems 100 in einem Arbeitspunkt AP2 mit maximaler Leistung P_MPP dargestellt. Das System wird mit einer Leistung betrieben, die dem Punkt maximaler Leistung (MPP) des PV-Generators 12 entspricht. Die entsprechenden Arbeitspunkte auf den Kennlinien für P_P2G, P_PV und P_AC2 sind jeweils mit AP2 bezeichnet.

Zum Erreichen des Arbeitspunktes AP2 verringert der aktive Gleichrichter 20 die zweite AC- Spannung U_AC2 und erhöht gleichzeitig die Elektrolyse-Spannung U_P2G. Dadurch sinkt auch die PV-Spannung U_PV, so dass die PV-Leistung P_PV ansteigt, bis sich ein neues Leistungsgleichgewicht zwischen erzeugter PV-Leistung P_PV und verbrauchter Elektrolyse- Leistung P_P2G bei einem gegebenen Übersetzungsverhältnis der Vorrichtung 10 einstellt. Das AC/DC-Übersetzungsverhältnis kann weiter variiert werden, bis das Leistungsmaximum des PV-Generators 12 erreicht ist. Dies entspricht dann dem Arbeitspunkt AP2. In diesem Arbeitspunkt AP2 beträgt U_AC2=U_AC1=500 V und l_P2G=750 A (AP2 auf l_P2G). Am PV- Generator 12 entspricht dies U_PV=750 V (AP2 auf P_PV). Ist der Arbeitspunkt AP2 erreicht, setzt das MPP-Tracking ein und der aktive Gleichrichter 20 erhöht oder verringert schrittweise das AC/DC-Übersetzungsverhältnis. Dabei verringert oder erhöht der aktive Gleichrichter 20 mittelbar die Spannungsdifferenz zwischen den Arbeitspunkten auf der PV-Kennlinie und auf der Elektrolyse-Kennlinie schrittweise, wobei sich nach jeder Änderung des AC/DC- Übersetzungsverhältnisses ein neues Leistungsgleichgewicht einstellt. Der resultierende Leistungsfluss kann erfasst und mittels geeigneter Regelung maximiert werden, so dass der PV-Generator im MPP oder zumindest um den MPP herum betrieben wird.

In Fig. 9 ist der Betrieb des Energieumwandlungssystems 100 in einem Arbeitspunkt AP3 gezeigt. In diesem Betrieb kann z. B. eine möglichst konstante, d.h. gleichmäßige Gaserzeugung, also z. B. eine Wasserstofferzeugung mit konstanter Erzeugungsrate angestrebt werden, oder auch eine Leistungsbegrenzung gefordert sein, z. B. auf eine Nennleistung des Elektrolyseurs 14, wenn diese kleiner ist als die verfügbare PV-Leistung P_PV. In einem solchen Fall kann z. B. ein Elektrolysemanagement des Elektrolyseurs 14 einen Stromsollwert für den Elektrolysestrom l_P2G oder einen Leistungssollwert für die Elektrolyse-Leistung P_P2G an den aktiven Gleichrichter 20 übermitteln.

Zum Erreichen des Arbeitspunktes AP3 ausgehend vom Startzustand (vergl. Fig. 7) erhöht der aktive Gleichrichter 20 die Spreizung zwischen Elektrolyse-Spannung U_P2G und zweiter AC- Spannung U_AC2, bis der gewünschte Sollwert für den zweiten Elektrolyse-Strom l_P2G oder bis der gewünschte Sollwert für die Elektrolyse-Leistung P_P2G erreicht ist. Dies entspricht dann dem Arbeitspunkt AP3. Wird der Elektrolyse-Strom l_P2G in diesem Arbeitspunkt AP3 mit gegebenem Abstand zwischen U_PV und U_P2G kleiner als der Strom-Sollwert, z. B. aufgrund einer sinkenden Einstrahlung auf den PV-Generator 12, so erhöht der aktive Gleichrichter 20 durch Änderung des AC-DC-Übersetzungsverhältnisses den Abstand zwischen U_PV und U_P2G, so dass die PV-Spannung U_PV sinkt und damit die PV-Leistung entlang der PV-Kennlinie steigt, bis sich ein neues Gleichgewicht zwischen erzeugter PV- Leistung P_PV und verbrauchter Elektrolyse-Leistung P_P2G bei einem gegebenen Übersetzungsverhältnis der Vorrichtung 10 einstellt. Das gleiche gilt bei einer Leistungsabgabe P_P2G unterhalb des Leistungs-Sollwertes. Das Festhalten des gewünschten Arbeitspunkts AP3 funktioniert hier so lange, wie der Leistungs-Sollwert oder bei dem Strom-Sollwert geforderte Leistung unterhalb der momentan maximal möglichen Leistung des PV-Generators 12 liegt.

Die zuvor, insbesondere anhand von Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9, beschriebenen Regelungen können - wie beschrieben - durch den aktiven Gleichrichter 20, insbesondere durch eine Steuerung im aktiven Gleichrichter 20, und alternativ oder zusätzlich durch eine Regeleinheit der Vorrichtung 10 durchgeführt werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Vorrichtung zum Umwandeln elektrischer Leistung 12 PV-Generator 14 Elektrolyseur 16 Wechselrichter 17 Wechselrichter 18 T ransformator 20 Gleichrichter 22 Hilfsversorgung 24 Schalter 26 Energiespeicher 28 AC-Netz 100 Energieumwandlungssystem

AP1 , AP2, AP3 Arbeitspunkte I Strom

V Spannung P Leistung ls/c Kurzschlussstrom Uo/c Leerlaufspannung Mpp Punkt maximaler Leistung Uz Startspannung U_PV PV-Spannung, erste DC-Spannung l_PV PV-Strom, erster DC-Strom U_P2G zweite DC-Spannung, Elektrolyse-Spannung l_P2G zweiter DC-Strom, Elektrolyse-Strom U_AC1 erste AC-Spannung l_AC1 erster AC-Strom U_AC2 zweite AC-Spannung l_AC2 zweiter AC-Strom P_PV PV-Leistung

P_P2G DC-Leistung P_AC AC-Leistung P mpp MPP-Leistung Impp Strom bei MPP-Leistung Umpp Spannung bei MPP-Leistung