Die Erfindung betri f ft eine Vorrichtung zum Versorgen einer Gleichstromlast mit einer Trans formatoranordnung und einem Umrichter .

Eine Gleichstromlast ist in diesem Sinne eine Last , die mittels eines Gleichstromes elektrisch versorgt wird . Eine Gleichstromlast kann beispielsweise ein PEM-Elektrolyseur ( Proton Exchange Membrane-Elektrolyseur ) oder auch ein Elektrolichtbogenofen sein . Bei der Versorgung solcher Gleichstromlasten ist meist ein möglichst hoher eingangsseitiger Gleichstrom vorteilhaft .

Insbesondere für die Wasserelektrolyse mittels eines PEM- Elektrolyseurs muss der elektrische Strom vom Netzanschluss gleichgerichtet und geregelt werden, damit im Elektrolyseur der gewünschte elektrochemische Vorgang vonstattengehen und die umzusetzende Leistung an die Netzanforderungen angepasst werden kann . Der generell stetig steigende Bedarf an Wasserstof f verlangt künftig eine besonders hohe Wasserstof f erzeu- gung, also auch besonders hohe Versorgungsströme . Eine Heraus forderung besteht hierbei u . a . darin, einen sehr hohen Versorgungsstrom bei sehr niedriger Spannung am Elektrolyseur zur Verfügung zu stellen . Im Allgemeinen bestehen Versorgungsvorrichtungen für Elektrolyseanlagen aus einem Trans formator und einem steuerbaren leistungselektronischen Umrichter . Dieser wird benötigt , um den Netzstrom gleichzurichten und die Regelbarkeit der umzusetzenden Leistung sicherzustellen . Bisher wird die steuerbare Leistungselektronik auf der Sekundärseite des Trans formators installiert . Durch die hohen Ströme entstehen auf der Sekundärseite sehr hohe Verluste in den Halbleitern ( P~ I ^A 2 ) . Ferner ist die Regeldynamik des Umrichters eingeschränkt .

Eine bekannte Vorrichtung der eingangs genannten Art ist in Figur 1 dargestellt . Die Vorrichtung 1 umfasst einen Transformator 2 und einen Umrichter bzw . Gleichrichter 3 . Im in Figur 1 gezeigten Beispiel ist der Umrichter eine Thyristorbrücke . Der Trans formator 2 ist netzseitig direkt mit einem Versorgungsnetz 4 und lastseitig mittels des Umrichters 3 mit einer Gleichstromlast verbunden, im gezeigten Beispiel einer Elektrolyseanlage mit einem Elektrolyseur-Stack 5 . Die Topologie der Leistungselektronik des Umrichters 3 ergibt sich aus den Anforderungen an die elektrischen Parameter und die Qualität der Gleichrichtung . Parametervorgaben sind insbesondere eine Stackspannung Ustack und ein Stackstrom I stack, die aus einer Netzspannung Unetz und einem Netzstrom Inetz erzeugt werden . Die Verwendung der Thyristorbrücke hat den Vorteil relativ niedriger Verluste und den Nachteil einer Restwelligkeit in der Ausgangsspannung ( Stackspannung) . Die Elektrolyseanlage umfasst üblicherweise einen Gastrockner 6 , einen Gaskompressor 7 und/oder einen Druckspeicher 8 , die dem PEM-Stack 5 nachgeschaltet sind .

Die Aufgabe der Erfindung ist es , eine artgemäße Vorrichtung anzugeben, die möglichst ef fi zient und zuverlässig ist , insbesondere im Hinblick auf hohe Ausgangsströme .

Die Aufgabe wird bei der artgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst , dass die Trans formatoranordnung netzseitig mittels des Umrichters mit einem (mehrphasigen) Versorgungsnetz , geeigneterweise mit zumindest drei Phasen, und lastseitig mit der zu versorgenden Gleichstromlast verbindbar ist , und der Umrichter, geeigneterweise mittels einer dazu eingerichteten Regelungseinrichtung, zum Erzeugen eines lastseitigen Gleichstromes eingerichtet ist . Entsprechend ist im Betrieb der Vorrichtung die Trans formatoranordnung sekundärseitig ( lastseitig) mit der Gleichstromlast und primärseitig mit dem Umrichter verbunden, der wiederum mit dem Versorgungsnetz verbunden ist . Im Unterschied zu den bekannten Vorrichtungen dieser Art ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Umrichter auf der Primärseite (Netzseite ) der Transformatoranordnung angeordnet . Mittels geeigneter Regelung kann der Umrichter derart betrieben werden, dass auf der Ausgangsseite der Vorrichtung ( der Lastseite ) ein Gleichstrom (Versorgungsstrom) erzeugt wird, um die Gleichstromlast zu versorgen .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil , dass der Umrichter nicht auf die besonders hohen Ausgangsströme ( lastseitigen Ströme ) , sondern auf die netzseitigen Ströme ausgelegt werden muss . Vorteilhaft ermöglicht eine geeignete Dimensionierung der Trans formatoren, insbesondere deren Wicklungsverhältnis , und die Topologie des Umrichters eine weitgehende Skalierbarkeit der Vorrichtung . Ferner ermöglicht die anschlussseitige Flexibilität der vorgeschlagenen Topologie auch die Integration in ein DC-Netz , beispielsweise innerhalb eines Solarparks . I st der Umrichter beispielsweise ein modularer Mehrstufenumrichter, der in j eder Phase eine Reihenschaltung von Schaltmodulen umfasst , die j eweils abschaltbare Halbleiterschalter und einen schaltmoduleigenen Energiespeicher umfassen, so ergeben sich weitere Vorteile . Durch die ( regelungs- ) dynamischen Eigenschaften des Mehrstufenumrichters kann der Sekundärstrom hochgenau und fast ohne Restwelligkeit geregelt werden . Zudem kann wegen kurzer Reaktionszeit im Bereich einiger weniger 10 Mikrosekunden ein sekundärseitiger Fehlerstrom nach Erkennung sicher abgeschaltet werden . Das erlaubt den Verzicht auf Hochstromabschalteinrichtungen auf der Sekundärseite ( Lastseite ) .

Vorzugsweise umfasst der Umrichter einen ersten Umrichterzweig und einen zweiten Umrichterzweig, wobei die Trans formatoranordnung einen ersten und einen zweiten Trans formator umfasst , wobei der erste Trans formator mittels des ersten Umrichterzweiges und der zweite Trans formator mittels des zweiten Umrichterzweiges mit dem Versorgungsnetz verbindbar (bzw . im Betrieb verbunden) sind, und wobei lastseitige Wicklungen des ersten und des zweiten Trans formators in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sind . Eine ausgangsseitige Parallelschaltung der Wicklungen ermöglicht besonders hohe bzw . auch gegenübereinander phasenversetzte Ausgangsströme . In j edem der Umrichterzweige ist zweckmäßigerweise ein Umrichterventil mit steuerbaren Leistungshalbleitern angeordnet . In einer dreiphasigen Anwendung können drei Umrichterzweige in einer Deltaschaltung miteinander und mit dem Versorgungsnetz verbunden sein .

Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist der erste Umrichterzweig zwischen einer ersten und einer zweiten Phase des Versorgungsnetzes schaltbar (bzw . erstreckt sich zwischen diesen Phasen im Betrieb der Vorrichtung) und umfasst einen ersten netzseitigen Umrichterarm und einen ersten trans formatorseitigen Umrichterarm, wobei der erste Trans formator zum ersten trans formatorseitigen Umrichterarm parallelgeschaltet ist . Der zweite Umrichterzweig ist zwischen einer zweiten und einer dritten Phase des Versorgungsnetzes schaltbar (bzw . erstreckt sich zwischen diesen Phasen im Betrieb der Vorrichtung) und umfasst einen zweiten netzseitigen Umrichterarm und einen zweiten trans formatorseitigen Umrichterarm, wobei der zweite Trans formator zum zweiten trans formatorseitigen Umrichterarm parallelgeschaltet ist . Die Umrichterzweige sind demnach j eweils in zwei Umrichterarme unterteilt , wobei der zugeordnete Trans formator umrichterseitig (bzw . netz- oder primärseitig) parallel zu dem j eweiligen trans formatorseitigen Umrichterarm geschaltet ist . Der j eweilige trans formatorseitige Umrichterarm ist geeigneterweise zur Regelung des trans formatorseitigen Stromes eingerichtet .

Zweckmäßigerweise umfassen die ersten und zweiten netzseitigen und trans formatorseitigen Umrichterarme j eweils eine Reihenschaltung von Schaltmodulen, wobei j edes Schaltmodul ( geeigneterweise abschaltbare ) Leistungshalbleiterschalter, wie beispielsweise IGBT , IGCT oder dergleichen) und einen schaltmoduleigenen Energiespeicher ( z . B . einen Kondensator ) umfasst . Die Leistungshalbleiter und der Energiespeicher sind zweckmäßigerweise in einer Vollbrückenschaltung miteinander verbunden . Mit diesem Aufbau ist der Umrichter ein modularer Mehrstufenumrichter . Durch die modulare Umrichtertopologie , die im Allgemeinen eine freie Wahl der Anzahl der Schaltmodule in j edem Umrichterarm erlaubt , und die Wahl des Trans formators ist vorteilhaft eine Skalierbarkeit auf verschiedene Spannungs- und Leistungsklassen möglich . Die Spannungen der einzelnen Energiespeicher werden vorzugsweise mittels eines geeigneten Balancing-Algorithmus balanciert ( so dass die Energiespeicher gleichmäßig belastet werden) .

Vorzugsweise sind mittels einer Regelungseinrichtung an dem ersten trans formatorseitigen Umrichterarm eine erste Umrichterspannung und an dem ersten netzseitigen Umrichterarm eine zweite Umrichterspannung erzeugbar, wobei eine Summe der ersten und der zweiten Umrichterspannung einer Netzspannung des Versorgungsnetzes entspricht . Demnach kann mittels des j eweiligen trans formatorseitigen Umrichterarmes zur Regelung des trans formatorseitigen Stromes benötigte trans formatorseitige Spannung gestellt werden, während mittels des j eweilig zugeordneten netzseitigen Umrichterarmes eine Ausgleichspannung gestellt bzw . erzeugt wird, so dass die trans formatorseitige Spannung gegenüber der Netzspannung des Versorgungsnetzes kompensiert wird .

Gemäß einer Aus führungs form der Erfindung ist zur Vermeidung von Kreisströmen in der Vorrichtung lastseitig der Trans formatoranordnung wenigstens ein Leistungshalbleiter mit einer Sperr- und einer Durchlassrichtung vorgesehen . Durch die Anordnung der Leistungshalbleiter auf der Ausgangsseite der Vorrichtung kann eine gegenseitige Beeinflussung der Transformatoren vermieden werden . Alternativ können die Leistungshalbleiter auch auf der Primärseite (Netzseite ) der Vorrichtung angeordnet sein . Der wenigstens eine Leistungshalbleiter ist zweckmäßigerweise in Reihe zu der lastseitigen Wicklung des ( j eweiligen) Trans formators angeordnet .

Bevorzugt ist der wenigstens eine Leistungshalbleiter eine Diode oder ein Thyristor . Dioden und Thyristoren sind bezüglich hoher Ströme besonders robuste Halbleiter .

Als besonders vorteilhaft wird eine Anwendung der Vorrichtung bei einer Anordnung zur Erzeugung von Wasserstof f angesehen . Eine entsprechende Anordnung umfasst eine Elektrolyseanlage , die eingangsseitig mittels einer Versorgungsvorrichtung zur elektrischen Versorgung der Elektrolyseanlage verbunden ist , wobei die Versorgungsvorrichtung eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist .

Die Erfindung betri f ft ferner ein Verfahren zum Versorgen einer Gleichstromlast mittels einer Vorrichtung mit einer Trans formatoranordnung und einem Umrichter .

Die Aufgabe der Erfindung ist es , ein solches Verfahren anzugeben, dass eine möglichst ef fektive und zuverlässige elektrische Versorgung der Gleichstromlast erlaubt .

Die Aufgabe wird bei einem artgemäßen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst , dass die Trans formatoranordnung netzseitig mittels des Umrichters mit einem Versorgungsnetz und lastseitig mit der zu versorgenden Gleichstromlast verbunden und mittels einer Regelung des Umrichters lastseitig ein Gleichstrom ( der auch als Versorgungsstrom bezeichnet werden kann) erzeugt wird .

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich insbesondere aus den im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen Vorteilen .

Bevorzugt umfasst die Trans formatoranordnung einen ersten, einen zweiten und einen dritten Trans formator, die j eweils netzseitig mit dem Umrichter verbunden und lastseitig mit der Gleichstromlast verbindbar sind, wobei mittels des Umrichters lastseitig des ersten Trans formators ein erster trapez förmiger Ausgangsstromverlauf ( der zeitliche Verlauf eines ersten lastseitigen Ausgangsstromes am ersten Trans formator ) , lastseitig des zweiten Trans formators ein zweiter trapez förmiger Ausgangsstromverlauf ( der zeitliche Verlauf eines zweiten lastseitigen Ausgangsstromes am zweiten Trans formator ) und lastseitig des dritten Trans formators ein dritter trapez förmiger Ausgangsstromverlauf ( der zeitliche Verlauf eines dritten lastseitigen Ausgangsstromes am dritten Trans formator ) erzeugt werden, wobei die drei Ausgansströme unter Erzeugung des lastseitigen Gleichstromes gegeneinander phasenverschoben sind . Als trapez förmiger Ausgangsstromverlauf wird ein Stromverlauf verstanden, der eine steigende Flanke aufweist , an die sich ein im Wesentlichen konstanter Verlauf sowie anschließend eine fallende Flanke anschließen . Geeigneterweise ist der Ausgangsstromverlauf nichtnegativ (bzw . nichtpositiv, j e nach Konvention) . Zur Erzeugung des ausgangsseitigen Gleichstromes werden die drei Phasen so miteinander verschaltet und phasenverschoben angesteuert , dass die ausgangseitigen ( sekundärseitigen) Stromtrapeze sich zu einem im Wesentlichen ( im Rahmen der technischen Umsetzbarkeit ) konstanten Gleichstrom überlagern . Es ist hierbei anzumerken, dass dieses Verfahren nicht auf dreiphasige Netze eingeschränkt ist und entsprechend auch bei einer anderen Anzahl von Phasen ( >1 ) prinzipiell anwendbar ist .

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von in den Figuren 2 bis 5 dargestellten Beispielen weiter erläutert .

Figur 2 zeigt ein erstes Aus führungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung;

Figur 3 zeigt ein zweites Aus führungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung;

Figur 4 zeigt einen Umrichterarm für eine der Vorrichtungen der Figuren 2 bzw . 3 in einer schematischen Darstellung;

Figur 5 zeigt einen Verlauf von Strom und Spannung bei einem erfindungsgemäßen Verfahren .

In Figur 2 ist eine Vorrichtung 10 zum Versorgen einer Gleichstromlast darstellt . Die Gleichstromlast ist in dem in Figur 2 dargestellten Beispiel eine Elektrolyseanlage 11 . Die Vorrichtung 10 umfasst eine Trans formatoranordnung 12 mit einem ersten Trans formator 13 , einem zweiten Trans formator 14 und einem dritten Trans formator 15 . Die Vorrichtung 10 um- fasst ferner einen Umrichter 16 . Der Umrichter 16 umfasst einen ersten Umrichterzweig 17 , der sich zwischen einer ersten und einer zweiten Phase 18 bzw . 19 eines Versorgungsnetzes 20 erstreckt . Der erste Umrichterzweig umfasst eine erste Drossel LR, einen ersten netzseitigen Umrichterarm 21 sowie einen zweiten trans formatorseitigen Umrichterarm 22 . Auf den Aufbau der Umrichterarme wird in der nachfolgenden Figur 4 näher eingegangen . Der Umrichter 16 umfasst ferner einen zweiten Umrichterzweig 23 , der sich zwischen der zweiten und einer dritten Phase 19 bzw . 24 des Versorgungsnetzes 20 erstreckt . Der zweite Umrichterzweig 23 umfasst eine zweite Drossel LS , einen zweiten netzseitigen Umrichterarm 25 sowie einen zweiten trans formatorseitigen Umrichterarm 26 . Der Umrichter 16 umfasst zudem einen dritten Umrichterzweig 27 , der sich zwischen der ersten und der dritten Phase 18 bzw . 24 des Versorgungsnetzes 20 erstreckt . Der dritte Umrichterzweig 27 umfasst eine dritte Drossel LT , einen dritten netzseitigen Umrichterarm 28 sowie einen dritten trans formatorseitigen Umrichterarm 29 . Es ist erkennbar, dass die Trans formatoranordnung 12 netzseitig mittels des Umrichters 16 mit einem Versorgungsnetz 20 und lastseitig mit der zu versorgenden Gleichstromlast 11 verbindbar ist . Der Umrichter 16 umfasst ferner eine Regelungseinrichtung 30 , die zum Steuern bzw . Regeln der Umrichterarme 21 , 22 , 25 , 26 , 28 und 29 eingerichtet ist . Mittels der Regelungseinrichtung 30 kann an dem j eweiligen trans formatorseitigen Umrichterarm eine trans formatorseitige Spannung erzeugt werden, die für den ersten trans formatorseitigen Umrichterarm 22 mit VR2 bezeichnet wird . Es ist zudem erkennbar, dass die Vorrichtung 10 optional mittels eines weiteren Trans formators 31 an ein Versorgungsnetz angeschlossen werden kann .

Der erste Trans formator 13 weist eine erste netzseitige Wicklung 13N, die in einer Parallelschaltung zum ersten trans formatorseitigen Umrichterarm 22 angeordnet ist , und eine erste lastseitige Wicklung 13L auf , die in einer Parallelschaltung zu der Gleichstromlast 11 angeordnet ist . Der zweite Transformator 14 weist eine zweite netzseitige Wicklung 14N, die in einer Parallelschaltung zum zweiten trans formatorseitigen Umrichterarm 26 angeordnet ist , und eine zweite lastseitige Wicklung 14L auf , die in einer Parallelschaltung zu der Gleichstromlast 11 angeordnet ist . Der dritte Trans formator 15 weist eine dritte netzseitige Wicklung 15N, die in einer Parallelschaltung zum dritten trans formatorseitigen Umrichterarm 29 angeordnet ist , und eine dritte lastseitige Wicklung 15L auf , die in einer Parallelschaltung zu der Gleichstromlast 11 angeordnet ist . Sekundär- bzw . lastseitig sind die lastseitigen Wicklungen 13L, 14L, 15L parallel zueinander angeordnet . Zudem sind parallel zu den j eweiligen lastseitigen Wicklungen 13L, 14L, 15L unidirektionale Leistungshalbleiter D vorgesehen . Die Ausgangs- bzw . lastseitigen Ströme werden j eweils mit iR, iS bzw . iT bezeichnet .

In Figur 3 ist eine Vorrichtung 40 zum Versorgen einer Gleichstromlast 11 dargestellt . In den Figuren 2 und 3 wurden gleiche und gleichartige Elemente und Bauteile mit gleichen Bezugs zeichen versehen . Im Unterschied zur Vorrichtung 10 der Figur 2 sind die lastseitigen Wicklungen 13L, 14L und 15L in einer Reihenschaltung miteinander verbunden, wobei diese Reihenschaltung parallel zu der Gleichstromlast 11 angeordnet ist . Zudem wurde auf die unidirektionalen Leistungshalbleiter (die Dioden D in Figur 2 ) verzichtet .

In Figur 4 ist der mögliche Aufbau eines Umrichterarmes 50 dargestellt , der als einer der Umrichterarme 21 , 22 , 25 , 26 , 28 , 29 der Figuren 2 und 3 einsetzbar ist . Der Umrichterarm 50 weist eine Reihenschaltung von Schaltmodulen 101 ( sogenannten Vollbrückenschaltmodulen) . In dem hier dargestellten Beispiel umfasst der Umrichterarm 50 drei Schaltmodule , im Allgemeinen ist deren Anzahl j edoch beliebig und an die j eweilige Anwendung anpassbar .

Das Schaltmodul 101 weist einen ersten Halbleiterschalter 102 in Form eines IGBT , dem eine Freilauf diode 103 antiparallel geschaltet ist sowie einen zweiten Halbleiterschalter 104 in Form eines IGBT , dem eine Freilauf diode 105 antiparallel ge- schaltet ist . Die Durchlassrichtung der beiden Halbleiterschalter 102 und 104 ist gleichgerichtet . Ferner umfasst das Schaltmodul 101 einen dritten Halbleiterschalter 109 in Form eines IGBT , dem eine Freilauf diode 110 antiparallel geschaltet ist sowie einen vierten Halbleiterschalter 111 in Form eines IGBT , dem eine Freilauf diode 112 antiparallel geschaltet ist . Die Durchlassrichtung der beiden Halbleiterschalter 109 und 111 ist gleichgerichtet . Die Halbleiterschalter 102 und 104 mit ihnen zugeordneten Freilauf dioden 103 , 105 bilden somit eine Reihenschaltung, die einer durch die Halbleiterschalter 109 , 111 und die zugeordneten Freilauf dioden 110 und 112 gebildeten Reihenschaltung parallelgeschaltet ist . Ein Zwischenkreiskondensator 106 ist parallel zu den beiden Reihenschaltungen angeordnet . Der erste Anschluss XI ist an einem Potenzialpunkt 113 zwischen den Halbleiterschaltern 102 , 104 angeordnet , der zweite Anschluss X2 ist an einem Potenzialpunkt 114 zwischen den Halbleiterschaltern 109 , 111 angeordnet . Durch eine geeignete Steuerung der Leistungshalbleiter 102 , 104 , 109 und 111 kann die an den Anschlüssen XI , X2 abfallende Spannung erzeugt werden, die der am Zwischenkreiskondensator 106 abfallenden Spannung Uc, der am Zwischenkreiskondensator 106 abfallenden Spannung j edoch mit entgegengesetzter Polarität ( -Uc ) oder der Spannung null entspricht .

In Figur 5 sind in einem Diagramm die Strom- und Spannungsverläufe dargestellt , die mittels des Umrichters der Vorrichtung 10 oder 50 zur Versorgung der Gleichstromlast 11 erzeugt werden . Zur Wahrung der Übersichtlichkeit ist in Figur 5 lediglich die Spannung VR2 dargestellt , die mittels des ersten trans formatorseitigen Umrichterarmes 22 gestellt wird (vgl . Figuren 2 bzw . 3 ) . Der sich daraus ergebende Ausgangsstromverlauf 51 eines ersten ausgangsseitigen Stromes iR (vgl . Figur 2 ) ist erkennbar trapez förmig . Die entsprechend erzeugten Ausgangsstromverläufe 52 und 53 der lastseitigen Ströme iS und iT (vgl . Figur 2 ) sind ebenfalls trapez förmig, j edoch j eweils zueinander derart phasenverschoben, dass sich ein lastseitiger Gesamtgleichstrom iGES = iR + iS + iT ergibt .