Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gleichrichters, insbesondere eines Hybrid-Gleichrichters, sowie einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Gleichrichter, insbesondere Hybrid-Gleichrichter. Die Erfindung betrifft zudem eine Elektrolyseanlage mit einem derartigen Hybrid-Gleichrichter.

Ein Gleichrichter wandelt Wechselspannung und/oder Wechselstrom auf einer AC- Seite in Gleichspannung und/oder Gleichstrom auf einer DC-Seite um. Einige Typen von Gleichrichtern - beispielsweise Gleichrichter mit Transistoren als Halbleiterschalter - können in Bezug auf ihren Leistungsfluss auch bidirektional, also als Wechselrichter betrieben werden. In diesem Betriebsmodus wandeln sie Gleichspannung und/oder Gleichstrom auf der DC-Seite in Wechselspannung und/oder Wechselstrom auf der AC-Seite um. Ein Hybrid-Gleichrichter, im Folgenden Hybrid-GR genannt, ist ein Gleichrichter, der unterschiedliche Typen von Halbleiterschaltern zur Gleichrichtung von Wechselspannung und/oder Wechselstrom auf einer AC-Seite in Gleichspannung und/oder Gleichstrom auf einer DC-Seite aufweist.

Stand der Technik

Eine Elektrolyse beispielsweise von Wasserstoff erfolgt oftmals über einen Elektrolyseur, der über einen Gleichrichter, insbesondere über einen aktiv steuerbaren Gleichrichter an ein Wechselspannungsnetz (AC-Netz) angeschlossen ist und aus diesem versorgt wird. Aktiv steuerbare Gleichrichter weisen Halbleiterschalter zur Gleichrichtung von Wechselspannung und/oder Wechselstrom in Gleichspannung und/oder Gleichspannung auf, wobei die Halbleiterschalter durch eine Steuerungseinheit des Gleichrichters zur Gleichrichtung des Stroms und/oder der Spannung ansteuerbar sind. Als Gleichrichter haben sich hier Thyristor- Gleichrichter etabliert, da diese im Vergleich zu anderen aktiv steuerbaren Gleichrichter-Typen geringere Investitionskosten aufweisen. Thyristor-Gleichrichter, im Folgenden Thyristor-GR genannt, weisen ansteuerbare Halbleiterschalter in Thyristortechnik auf. Anlagenplaner von Elektrolyseanlagen, wie auch Elektrolyseurhersteller planen immer größere Elektrolyseanlagen, so dass auch die Nennleistungen von industriellen Elektrolyseuren zukünftig stark zunehmen können. Bei großen Elektrolyseanlagen kann mit der preisgünstigen Thyristortechnik eine Energieversorgung realisiert werden, die Im Vollastbetrieb und/oder bei einer Amplitude einer Netzspannung des versorgenden AC-Netzes im unteren Toleranzband einen lediglich geringen Austausch von Blindleistung mit dem AC-Netz aufweist. Die Netzspannung dient zur Übertragung elektrischer Leistung über das AC-Netz und wird von den Energieversorgern mit Werten innerhalb des definierten Toleranzbandes bereitgestellt.

Allerdings tritt insbesondere im Teillastbereich und/oder bei einer Amplitude der Netzspannung im oberen Toleranzband ein erheblicher Austausch von Blindleistung mit dem AC-Netz auf. Bei der Blindleistung kann es sich um eine Kombination aus Verschiebungsblindleistung und Verzerrungsblindleistung handeln. Bei Verschiebungsblindleistung handelt es sich um Blindleistung in Form von Grundwellen der Netzspannung. Bei Verzerrungsblindleistung handelt es sich um Blindleistung in Form von Oberwellen der Netzspannung. Eine derartige Blindleistung, beziehungsweise deren Austausch mit dem AC-Netz, ist üblicherweise unerwünscht und gegebenenfalls normativ limitiert.

Um den Austausch von Blindleistung mit dem AC-Netz zu reduzieren, können thyristorbasierte Gleichrichter - im Folgenden Thyristor-GR genannt - mit Anlagen zur Blindleistungskompensation kombiniert werden. Bekannte Lösungen zur Kompensation von Blindleistung in Form von Oberwellen (Verzerrungsblindleistung) und Grundwellen (Verschiebungsblindleistung) sind dabei folgende: a. Parallel zum Thyristor-GR wird ein zuschaltbarer passiver Saugkreis, gegebenenfalls auch mehrere zuschaltbare passive Saugkreise, und/oder eine zuschaltbare Kondensatorbatterie an das AC-Netz angeschlossen. Je nach Blindleistungsbedarf des Thyristor-GR können die Saugkreise und/oder die Kondensatorbatterie teilweise oder vollständig zugeschaltet werden. b. An das AC-Netz wird parallel zu dem netzgeführten Thyristor-GR ein selbstgeführter Umrichter in Transistortechnik angeschlossen. Gleichrichter mit ansteuerbaren Leistungsschaltern in Transistortechnik werden im Folgenden Transistor-GR genannt. Bei dieser Lösung sind Transistor-GR und Thyristor-GR DC- seitig nicht miteinander verbunden. Der Transistor-GR dient hierbei ausschließlich der Blindleistungskompensation. Als Energiezwischenspeicher dient hierbei ein DC- seitig mit dem Transistor-GR verbundener, Kondensatoren aufweisender DC- Zwischenkreis. c. Die unter a und b genannten Anlagen können üblicherweise nicht netzbildend betrieben werden. Bei einem netzbildenden Betrieb arbeitet der Transistor-GR so, dass bei einer Spannungs- oder Frequenzänderung der Netzspannung die Leistung des Transistor-GR instantan so geändert wird, dass sie dieser Änderung entgegenwirkt, d.h. der Transistor-GR arbeitet netzbildend und/oder netzstützend. Konkret kann es bei einem netzbildenden Betrieb der Anlage erwünscht sein, dass sich die Anlage wie eine an dem AC-Netz angeschlossene Synchronmaschine verhält, die eine mit dem AC-Netz ausgetauschte Leistung so ändert, dass dies einer Änderung von Frequenz und/oder Spannung in dem AC-Netz entgegenwirkt. Beispielsweise kann so bei einem transienten Abfall einer Frequenz des AC-Netzes eine Verringerung der dem AC-Netz entzogenen Wirkleistung oder eine Vergrößerung der in das AC-Netz eingespeisten Wirkleistung erfolgen. Dies ist über die Saugkreise nicht zu erzielen. Im Falle des Transistor-GR setzt ein netzbildender Betrieb einen ausreichend groß dimensionierten Energiespeicher voraus, was im Falle des als Energiezwischenspeicher operierenden DC- Zwischenkreises in der Regel nicht gegeben ist. Netzbildende Eigenschaften werden daher z. B. von einem selbstgeführten Transistor-GR bereitgestellt, der herkömmlicherweise zu diesem Zweck auf seiner DC-Seite mit einer Batterie verbunden ist.

Um bei großen Leistungen die Oberwellen unterhalb der 23-zigsten Oberwelle auszulöschen, können bei oben genannten Lösungen ein komplexer MV- Transformator mit bis zu 4 Unterspannungssystemen oder 4 Einzeltransformatoren unterschiedlicher Bauform erforderlich sein.

Die Druckschrift EP 2 351179 B1 offenbart eine Einrichtung zum Anschließen eines Wechselstrombusses und eines Gleichstrombusses, umfassend: einen Satz von zumindest einem Transistor, der an den Wechselstrom bus und an den Gleichstrombus gekoppelt ist, und einen Satz von zumindest einem Thyristor, der an den Wechselstrom bus und an den Gleichstrombus gekoppelt ist. Eine Mikrosteuerung regelt den Stromfluss durch den Satz des zumindest einen Transistors und den Stromfluss durch den Satz des zumindest einen Thyristors. Dabei wird die Spannung an dem Gleichstrombus so geregelt, dass im Wesentlichen die gesamte Leistung durch den Satz des zumindest einen Transistors fließt, wenn die Leistungsbelastung des Gleichstrombusses innerhalb eines ersten Leistungsbereichs liegt, der zwischen Null und einem ersten Pegel liegt.

In dem Artikel “Parallel Rectifier for Regenerative Hydrogen Production Utilizing a Combination of Thyristor and PWM-based Topologies”; Steffen Bintz, Manuel Fischer, Jörg Roth-Stielow; 2018 20th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'18 ECCE Europe); Year: 2018 | Conference Paper | Publisher: IEEE wird eine Parallelschaltung eines Thyristor-Gleichrichters und eines PWM basiert aktiv gesteuerten Transistor-Gleichrichters zur Elektrolyse beschrieben. In einem Normalbetrieb während der Elektrolyse liefert dabei der Thyristor-Gleichrichter einen Großteil des erforderlichen Stroms, wobei der Transistor-Gleichrichter zur Korrektur des Eingangsstroms und des Ausgangsstroms verwendet wird.

Die Druckschrift DE 10221933 A1 offenbart eine netzbetriebene Gleichrichterbrücke, die einen Gleichspannungszwischenkreis versorgt. In dem Gleichspannungszwischenkreis ist ein Kondensator angeordnet, der vor dem Zuschalten der Gleichrichterbrücke mittels einer Ladeschaltung aus dem Netz aufgeladen wird. Um die Verluste in der Ladeschaltung im Hinblick auf eine hohe Wiederholfrequenz gering halten zu können, weist die Ladeschaltung zumindest einen Thyristor auf, der in Reihe mit dem Kondensator sowie einem in gleicher Durchlassrichtung liegenden Zweig der Gleichrichterbrücke am Wechselspannungsnetz liegt. Dabei wird der Thyristor synchron mit der Netzfrequenz gezündet, und der Zündwinkel, bezogen auf den Nulldurchgang der Netzspannung, während mehrerer Netzperioden verringert

Die Druckschrift DE 10 2018 133 641 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolysevorrichtung mit einem Umrichter, der wechselspannungsseitig über eine Entkopplungsimpedanz an ein Wechselspannungsnetz und gleichspannungsseitig an einen Elektrolyseur angeschlossen ist. Bei einer Netzfrequenz, die einer Nennfrequenz des Wechselspannungsnetzes entspricht und zeitlich konstant ist, wird der Elektrolyseur mit einer elektrischen Leistung betrieben, die zwischen 50% und 100% seiner Nennleistung beträgt. Dabei wird der Umrichter spannungseinprägend betrieben, so dass die dem Wechselspannungsnetz entnommene AC-Wirkleistung unmittelbar in Abhängigkeit einer Änderung und/oder einer Änderungsrate der Netzfrequenz im Wechselspannungsnetz geändert wird.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Kombination aus Thyristor-Gleichrichter und Transistor-Gleichrichter anzugeben. Bei dem Verfahren sollen die vorhandenen Typen an Gleichrichtern effektiver genutzt werden. Zum anderen soll das Verfahren einen netzbildenden und/oder netzstützenden Betrieb der Kombination aus Thyristor-GR und Transistor- GR am AC-Netz bei gleichzeitig minimierten Geräteaufwand ermöglichen. Es ist zudem Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete als Gleichrichter operierende Vorrichtung sowie eine Elektrolyseanlage mit einer derartigen Vorrichtung aufzuzeigen.

Lösung

Die Aufgabe ein Verfahren zum verbesserten Betrieb einer Kombination aus Thyristor-Gleichrichter und Transistor-Gleichrichter, im Folgenden Hybrid- Gleichrichter genannt, aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe, eine zur Durchführung des Verfahrens ausgelegte und eingerichtete als Gleichrichter operierende Vorrichtung aufzuzeigen, wird erfindungsgemäß durch einen Hybrid- Gleichrichter mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 8 gelöst. Der nebengeordnete Anspruch 16 zielt auf eine Elektrolyseanlage mit einem derartigen Hybrid-Gleichrichter. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 7, vorteilhafte Ausführungsformen des Hybrid-Gleichrichters in den Ansprüchen 9 bis 15 aufgeführt.

Beschreibung der Erfindung

Ein Hybrid-Gleichrichter, im Folgenden Hybrid-GR genannt, ist ein Gleichrichter, welcher unterschiedliche Typen von Halbleiterschaltern zur Gleichrichtung von Wechselspannung und/oder Wechselstrom auf einer AC-Seite in Gleichspannung und/oder Gleichstrom auf einer DC-Seite aufweist. In einem solchen Modus kann auf der DC-Seite beispielsweise eine DC-Last zur Aufnahme von elektrischer Leistung angeschlossen sein.

Erfindungsgemäß weist der Hybrid-GR zumindest zwei Gleichrichter, insbesondere zwei jeweils aktiv steuerbare Gleichrichter mit jeweils unterschiedlichen Typen von aktiv steuerbaren Halbleiterschaltern auf. Beispielsweise kann ein erster Gleichrichter aktiv steuerbare Halbleiterschalter vom Transistor-Typ umfassen, während ein zweiter Gleichrichter des Hybrid-GR Halbleiterschalter vom Thyristor-Typ umfasst. Trotz der Benennung des Transistor-GR als Gleichrichter wird erfindungsgemäß im Folgenden stets vorausgesetzt, dass er in Bezug auf seinen Leistungsfluss bidirektional, also sowohl als Gleichrichter als auch als Wechselrichter betrieben werden kann. Auch der Hybrid-GR kann in Bezug auf eine über ihn fließende Leistung bidirektional, also auch als Wechselrichter betrieben werden, d. h. Gleichspannung und/oder Gleichstrom auf der DC-Seite in Wechselspannung und/oder Wechselstrom auf der AC-Seite umwandeln. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn der Transistor-GR als Wechselrichter arbeitet und eine von ihm in Richtung des AC-Netzes fließende Wirkleistung eine über den Thyristor-GR in Richtung der DC-Last fließende Wirkleistung betragsmäßig übersteigt. In einem solchen Modus kann auf der DC- Seite beispielsweise eine DC-Quelle oder ein Energiespeicher zur Bereitstellung von elektrischer Leistung angeschlossen sein.

Bei einem Hybrid-GR zur Versorgung einer DC-Last mit einer aus einem AC-Netz gleichgerichteten und in ihrem Spannungswert variierbaren DC-Spannung, weist der Hybrid-GR einen AC-Eingang, einen DC-Ausgang, und einen zwischen dem AC- Eingang und dem DC-Ausgang in einem ersten Pfad angeordneten Thyristor- Gleichrichter (Thyristor-GR) auf. Der Hybrid-GR weist ferner einen Transistor- Gleichrichter (Transistor-GR) auf, der in einem parallel zu dem ersten Pfad geschalteten zweiten Pfad angeordnet ist.

Ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Hybrid-GR weist die folgenden Schritte auf:

Wenn eine DC-Spannung am DC-Ausgang des Hybrid-GR unterhalb eines Spannungs-Schwellwertes liegt: Betreiben des Hybrid-GR in einem ersten Betriebszustand, in dem der Transistor-GR von dem DC-Ausgang des Hybrid-GR getrennt und mit dem AC-Eingang des Hybrid-GR verbunden ist und in dem der Thyristor-GR sowohl mit dem AC-Eingang des Hybrid-GR als auch mit dem DC- Ausgang des Hybrid-GR verbunden ist, so dass eine Gesamt-Wirkleistung von dem AC-Eingang zu dem DC-Ausgang des Hybrid-GR über den Thyristor-GR und nicht über den Transistor-GR transportiert wird.

Wenn die DC-Spannung am DC-Ausgang des Hybrid-GR den Spannungs- Schwellwert erreicht oder überschreitet: Betreiben des Hybrid-GR in einem zweiten Betriebszustand, in dem der Thyristor-GR und der Transistor-GR jeweils mit dem AC- Eingang des Hybrid-GR einerseits und mit dem DC-Ausgang des Hybrid-GR andererseits verbunden sind, und wobei die Gesamt-Wirkleistung von dem AC- Eingang zu dem DC-Ausgang des Hybrid-GR sowohl über den Thyristor-GR, als auch über den Transistor-GR transportiert wird.

Im ersten Betriebszustand wird der Transistor-Gleichrichter von der DC-Last getrennt betrieben. Daher kann er keine zweite Wirkleistung aus dem AC-Netz an die DC-Last übertragen. Vielmehr wird die DC-Last mit einer Gesamt-Wirkleistung aus dem AC- Netz versorgt, die einer über den Thyristor-GR fließenden ersten Wirkleistung entspricht. Dabei erzeugt der Thyristor-GR eine erste Blindleistung. Indem der Transistor-GR im ersten Betriebszustand jedoch über seinen AC-Eingang eine zweite Blindleistung, insbesondere Kompensationsblindleistung bereitstellen kann, kann er die von dem Thyristor-GR erzeugte erste Blindleistung zumindest teilweise kompensieren und somit die insgesamt mit dem AC-Netz über den AC-Eingang des Hybrid-GR ausgetauschte Gesamt-Blindleistung, die ansonsten der ersten Blindleistung entsprechen würde, reduzieren. Zur Erzeugung der zweiten Blindleistung kann der Transistor-GR einen ihm zugeordneten ohnehin vorhandenen Energiezwischenspeicher, beispielsweise einen ohnehin vorhandenen DC- Zwischenkreis verwenden. In dem ersten Betriebszustand kann der Transistor-GR an seinem AC-Eingang jedoch keine zweite Wirkleistung, zumindest keine über einen längeren Zeitraum andauernde zweite Wirkleistung an das AC-Netz bereitstellen, da dies nach kurzer Zeit zu einer Abnahme der über dem DC-Zwischenkreis anliegenden DC-Spannung auf Werte führen würde, die eine Einspeisung von zweiter Wirkleistung in das AC-Netz verhindert.

Im zweiten Betriebszustand werden beide Stromrichter, also der Thyristor-GR und der Transistor-GR DC-seitig parallel betrieben. In dem zweiten Betriebszustand überträgt der Thyristor-GR eine erste Wirkleistung an die DC-Last, während der Transistor-GR eine zweite Wirkleistung an die DC-Last überträgt, so dass die insgesamt an die DC-Last aus dem AC-Netz übertragene Gesamt-Wirkleistung der Summe aus erster Wirkleistung und zweiter Wirkleistung entspricht. In dem zweiten Betriebszustand kann der Transistor-GR nicht nur die zweite Wirkleistung zur Versorgung der DC-Last über den DC-Ausgang übertragen, sondern weiterhin auch zweite Blindleistung zur Kompensation der ersten Blindleistung des Thyristor-GR und/oder zur Stützung des AC-Netzes über seinen AC-Eingang bereitstellen, so dass auch in dem zweiten Betriebszustand eine von dem Hybrid-GR über seinen AC- Ausgang insgesamt mit dem AC-Netz ausgetauschte Gesamt-Blindleistung reduziert, oder minimiert werden kann.

Der erste Betriebszustand des Hybrid-GR entspricht weitestgehend dem eingangs unter Punkt a) beschriebenen Fall. Da jedoch der Transistor-GR in seinem zweiten Betriebszustand mit der DC-Last verbunden ist, und an die DC-Last ebenfalls die zweite Wirkleistung überträgt, wird er relativ zu dem eingangs unter Punkt a) geschilderten Fall, bei dem der Transistor-GR nur Blindleistung an das AC-Netz bereitstellt, effizienter genutzt.

Der Thyristor-GR übernimmt also in der Regel wesentliche Teile der Grundlast und der Transistor-GR stellt, insbesondere stellt instantan den verbleibenden Rest der Gesamt-Wirkleistung und die gewünschte zweite Blindleistung zur Kompensation der entsprechenden ersten Blindleistung des Thyristor-GR zur Verfügung, falls das die momentanen Netzbedingungen erfordern. Wirk- und Blindleistung können dabei durch den Transistor-GR in allen Richtungen bereitgestellt werden. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass der Transistor-GR neben der Blindleistungskompensation auch zur Wirkleistungsbereitstellung genutzt werden kann. Durch die geometrische Addition von Wirk- und Blindleistung zur Scheinleistung ist die Ausnutzung des Transistor-GR auf diese Weise viel besser, als würde er nur zur Blindleistungskompensation oder nur zur Wirkleistungsbereitstellung genutzt.

Über den zweiten Betriebszustand wird zudem ein spannungsstellender Betrieb des Transistor-GR am AC-Netz ermöglicht. Hierbei ist es von Vorteil, dass der DC- Zwischenkreis des Transistor-GR in dem zweiten Betriebszustand auch über die erste elektrische Wirkleistung des Thyristor-GR geladen werden kann. Somit kann eine Abnahme der Spannung in dem DC-Zwischenkreis aufgrund einer zweiten Wirkleistung des Transistor-GR, die dem AC-Netz aus dem DC-Zwischenkreis zugeführt wird, zumindest teilweise, gegebenenfalls auch vollständig durch die seitens des Thyristor-GR in den DC-Zwischenkreis fließende erste Wirkleistung wieder kompensiert werden. Eine solcher AC-Kreisstrom kann bei transienten Frequenzänderungen des AC-Netzes zur Netzstützung sinnvoll sein. In einem länger anhaltenden Dauerbetrieb ist ein derartiger AC-Kreisstrom aufgrund der damit verbundenen relativ hohen Wandlungsverluste üblicherweise nicht sinnvoll.

In einem Fall, bei dem die DC-Last durch einen Elektrolyseur gebildet wird, ist für den spannungsstellenden Betrieb des Transistor-GR weiterhin von Vorteil, dass in dem zweiten Betriebszustand dem DC-Zwischenkreis des Transistor-GR eine dem Elektrolyseur innewohnende hohe Kapazität parallel geschaltet ist. Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Verfahren ist es daher nicht erforderlich, den netzbildenden Transistor-GR mit einem zusätzlichen separat vorzuhaltenden Energiespeicher zu verbinden. Vielmehr wird dieser Energiespeicher durch die kapazitiven Eigenschaften des ohnehin vorhandenen Elektrolyseurs bereitgestellt. Zudem wird der Elektrolyseur in dem zweiten Betriebszustand des Hybrid-GR durch die erste Wirkleistung des Thyristor-GR gespeist, wodurch einer Entladung aufgrund einer von dem Transistor- GR in das AC-Netz fließenden zweiten Wirkleistung entgegengewirkt werden kann. Dadurch kann der Transistor-GR seine Leistung instantan verringern bzw. sogar instantan in den WR-Betrieb übergehen, falls dies zur Stützung des AC-Netzes erforderlich ist. In einem solchen Fall entnimmt der Thyristor-GR Leistung aus dem Netz, die der Transistor-GR dem Netz wieder zuführt. Insgesamt kann so eine träge Regelung des Thyristor-GR durch die schnell erfolgende Regelung des netzbildenden spannungsstellenden Transistor-GR wirksam kompensiert werden.

Bei dem spannungsstellenden Betrieb des Transistor-GR kann eine an dem AC- Eingang des Transistor-GR gestellte AC-Spannung in Abhängigkeit einer in dem Transistor-GR hinterlegten Frequenz-Wirkleistungs-Kennlinie, gegebenenfalls auch in Abhängigkeit einer in dem Transistor-GR hinterlegten Spannungs-Blindleistungs- Kennlinie generiert werden. Wie in Verbindung mit Figur 4a und 4b detaillierter erläutert, ist der Transistor-GR hierdurch in der Lage auf eine Änderung der Frequenz des AC-Netzes in netzstützender Weise zu reagieren. Beispielsweise kann er bei einer transienten Erhöhung der Frequenz des AC-Netzes nahezu instantan die über ihn fließende zweite Wirkleistung erhöhen und somit die insgesamt über den Hybrid-GR fließende und von der DC-Last verbrauchte Gesamt-Wirkleistung erhöhen. Ähnlich kann er bei einer transienten Verringerung der Frequenz des AC- Netzes mit einer Verringerung der aus dem AC-Netz über ihn fließenden zweiten Wirkleistung reagieren. Dies führt zu einer insgesamt verringerten über den Hybrid- GR fließenden und von der DC-Last verbrauchten Gesamt-Wirkleistung. Im Extremfall kann der Hybrid-GR sogar kurzzeitig Gesamt-Wirkleistung aus dem DC- Zwischenkreis des Transistor-GR, der insbesondere im Fall eines Elektrolyseurs als DC-Last um die große Kapazität des Elektrolyseurs erweitert ist, in das AC-Netz einspeisen. In jedem Fall reagiert der Hybrid-GR schnell und in netzstützender Art und Weise, um der jeweiligen Änderung der Frequenz entgegenzuwirken. Hierzu ist kein separat vorzuhaltender Energiespeicher am DC-Ausgang des Hybrid-GR notwendig. Vielmehr genügt die Verbindung mit der zur Verfügung stehenden Kapazität des ohnehin vorhandenen Elektrolyseurs als DC-Last. Ein Kostenaufwand für eine ansonsten erforderliche Batterie erübrigt sich.

In einem Ausführungsbeispiel startet bei einem Startvorgang der Thyristor-GR zuerst und versorgt den Elektrolyseur mit Wirkleistung. Erst bei einer gewissen DC-seitig vorliegenden Spannung wird der Transistor-GR auch DC-seitig zugeschaltet. Der Transistor-GR ist in der Regel eingerichtet, nur Spannungen oberhalb einer minimalen DC-Spannung bereitzustellen. Werden beide Stromrichter, also der Thyristor-GR und der Transistor-GR, parallel betrieben, kann daher eine DC- Vorladeeinrichtung für den Transistor-GR entfallen, da der Thyristor-GR bereits für die minimale DC-Spannung gesorgt hat. Der Transistor-GR schaltet auf die DC-Last, wenn die an der DC-Last anliegende DC-Spannung den Spannungs-Schwellwert erreicht. Der Spannungs-Schwellwert kann z. B. der Scheitelwert der am Transistor- GR anliegenden AC-Spannung sein. Ein Umschalten in den zweiten Betriebszustand kann dann z. B. erfolgen, wenn die DC-Spannung den Scheitelwert der am Transistor-GR anliegenden AC-Spannung erreicht oder überschreitet, zumindest jedoch nicht wesentlich unterschreitet.

Das beschriebene Verfahren stellt somit eine Anlage bereit, bei der die Blindleistungskompensation durch die Verwendung eines Hybrid-GR gewährleistet wird, wobei mehrere, insbesondere beide, Gleichrichter des Hybrid-GR zum Transport von Wirkleistung vorgesehen sind. In einer Ausführungsform des Verfahrens erzeugt der Transistor-GR in dem ersten Betriebszustand eine zweite Blindleistung, um eine von dem Thyristor-GR erzeugte erste Blindleistung zumindest teilweise zu kompensieren, so dass ein Austausch an Gesamt-Blindleistung zwischen dem Hybrid-GR und dem AC-Netz reduziert wird. Die Blindleistungskompensation kann somit optional so realisiert werden, ohne dass Zusatzverluste durch einen zusätzlichen selbstgeführten Stromrichter, der lediglich der Blindleistungskompensation dient, in Kauf genommen werden müssen.

In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die von dem Transistor-GR dem ersten Betriebszustand erzeugte zweite Blindleistung eine Kombination aus Verzerrungsblindleistung und Verschiebungsblindleistung. Die Blindleistungskompensation kann somit auch bei großen Leistungen gut wirken und insbesondere die Oberwellen auslöschen, bei zugleich einfacher Bauform des Systems.

In einer Ausführungsform des Verfahrens weist die DC-Last zumindest einen Elektrolyseur auf. Der Leistungsverbrauch des Elektrolyseurs beim Anliegen der DC- Spannung in Höhe des Spannungs-Schwellwertes beträgt dabei zumindest 10% seiner Nennleistung.

Es ist vorteilhaft den Transistor-GR erst ab einer Leistung von ca. 20% der Nennleistung des Elektrolyseurs DC-seitig mit dem Elektrolyseur zu verbinden, also erst ab einer DC-Spannung, die einer Leistung von ca. 20% der Nennleistung des Elektrolyseurs entspricht, in den zweiten Betriebszustand überzugehen. Bei kleineren Leistungen gibt der Transistor-GR nur Blindleistung ab, da er von einer DC-Quelle auf der DC-Seite getrennt ist. Bei sehr kleiner Leistung ist ein netzbildender Betrieb, auch GFM-Mode (Grid Forming Mode) genannt, ohnehin nur sehr schwer möglich. Die AC-Spannung des Transistor-GR kann beim erfindungsgemäßen System mit parallelen Thyristor-GR und Transistor-GR höher als bei reinem Transistor-GR und damit optimaler eingestellt werden, weil der Unterschied zwischen AC- Scheitelspannung am Transistor-GR und Betriebsspannung des Elektrolyseurs geringer wird. Dies liegt daran, dass ein reiner Transistor-GR ohne den Thyristor-GR aufstarten können muss, und deshalb anders ausgelegt werden muss. Dies ist ein Vorteil des Hybrid-GR gegenüber einem reinen Gleichrichter, wie z. B. einem reinen Transistor-GR. In einer Ausführungsform des Verfahrens übersteigt eine erste Amplitude einer ersten AC-Spannung an einem AC-Eingang des Thyristor-GR eine zweite Amplitude einer zweiten AC-Spannung an einem AC-Eingang des Transistor-GR. Die erste Amplitude der ersten AC-Spannung an dem AC-Eingang des Thyristor-GR übersteigt die zweite Amplitude der zweiten AC-Spannung an dem AC-Eingang des Transistor- GR insbesondere um 20%, bevorzugterweise um 50%.

Beide Stromrichter, also der Thyristor-GR und der Transistor-GR, werden AC-seitig bevorzugt an galvanisch voneinander getrennten AC-Systemen betrieben und zur Bereitstellung von mehreren AC-Spannungen mit verschiedenen AC-Amplituden aus dem AC-Netz unterschiedlich transformiert. Die unterschiedliche Transformation kann z. B. durch zwei getrennte Sekundärwicklungen eines Transformators, insbesondere eines Mittelspannungs (MV) - Transformators oder durch zwei verschiedene MV-Transformatoren erfolgen. Die Trennung auf der Wechselspannungsseite ist auch bereits aus dem Grunde vorteilhaft, weil ein Thyristor-Gleichrichter ähnlich wie ein Tiefsetzsteller, ein Transistor-Gleichrichter ähnlich wie ein Hochsetzsteller wirken. Sollen beide gleichzeitig einen gleichen DC- Spannungsbereich bedienen, so kann es erforderlich sein, dass beide mit unterschiedlichen Spannungsamplituden auf ihrer jeweiligen AC-Seite betrieben werden. Es könnte andererseits passieren, dass beide nur einen nicht überlappenden Spannungsbereich bedienen könnten, wenn sie wechselspannungsseitig mit der gleichen Wechselspannungsamplitude betrieben würden

Beide Stromrichter, also sowohl der Thyristor-GR als auch der Transistor-GR, können in mehrere Teilstromrichter aufgeteilt sein und jeweils an unterschiedlichen Sekundärwicklungen der Transformatoreinheit betrieben werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform übernimmt der Thyristor-GR ca. 2/3 der Last und der Transistor-GR ca. 1/3 der Last. Bevorzugt weist der Transistor-GR damit etwa die halbe Bauleistung wie der Thyristor-GR auf.

In einer Ausführungsform des Verfahrens ist der Transistor-GR als spannungsstellender Transistor-GR ausgebildet, dessen Betrieb im zweiten Betriebszustand über eine Frequenz-Wirkleistungs-Kennlinie (f(P)-Kennlinie) und/oder über eine Spannungs-Blindleistungs-Kennlinie (U(Q)-Kennlinie) gesteuert wird. In Reaktion auf eine Änderung einer Frequenz einer an dem AC-Eingang anliegenden AC-Spannung des AC-Netzes erfolgt eine Änderung der über den Hybrid-GR gleichgerichteten Gesamt-Wirkleistung zur Versorgung der DC-Last nahezu instantan zumindest überwiegend über eine Änderung der über den Transistor-GR fließenden zweiten Wirkleistung. Das beschriebene Verfahren stellt somit einen Stromrichter bereit, der auch netzbildend betrieben werden kann. Die netzbildende Funktion kann auch ohne einen zusätzlichen Aufwand durch einen Energiespeicher (Batterie) auf der DC-Seite des Hybrid-GR realisiert werden, selbst wenn der Hybrid-GR als netzbildender Stromrichter betrieben wird. Der netzbildende Betrieb, auch Grid Forming Mode genannt, kennzeichnet das Betriebsverhalten eines spannungsstellenden Transistor-GR. Im spannungsstellenden Betrieb wird seitens des Transistor-GR eine Spannung gestellt, wobei der Strom eine sich aus den dann vorliegenden Rahmenbedingungen ergebende Größe ist.

Das Betriebsverhalten ist ähnlich einer am AC-Netz betriebenen Synchron-Maschine. Zur Realisierung des spannungsstellenden Betriebs (Grid Forming Modes) ist in dem Transistor-GR eine Frequenz-Wirkleistungs-Kennlinie (f(P)-Kennlinie) und optional auch eine Spannungs-Blindleistungs-Kennlinie (U(Q)-Kennlinie) hinterlegt. Dabei wird unter Berücksichtigung der Kennlinie oder der Kennlinien am AC-Eingang des Transistor-GR durch den Transistor-GR eine AC-Spannung gestellt, so dass sich eine Differenzwirkleistung gemäß der hinterlegten f(P)-Kennlinie und eine Differenzblindleistung gemäß der hinterlegten U(Q)-Kennlinie ergibt. Bei Nennspannung und Nennfrequenz ist die Differenzwirkleistung und Differenzblindleistung Null und nur die, für den vorgegebenen Betriebspunkt eingestellten Sollwerte für Wirk- und Blindleistung werden erreicht.

Mit dem spannungsstellenden Betrieb ist der Transistor-GR in der Lage, auf eine Änderung von Parametern wie Frequenz und Spannungsamplitude der AC- Spannung des AC-Netzes in netzstützender Weise zu reagieren. Steigt beispielsweise eine Frequenz der AC-Spannung in dem AC-Netz an, so führt der spannungsstellende Betrieb automatisch und nahezu instantan zu einem stärkeren Leistungsverbrauch aus dem AC-Netz, um somit dem Anstieg der Frequenz f entgegenzuwirken. In ähnlicher Weise führt eine Änderung einer Spannungsamplitude der AC-Spannung in dem AC-Netz dazu, dass der Transistor- GR seine zweite Blindleistung derart ändert, so dass die zweite Blindleistung der verursachenden Änderung der Spannungsamplitude in dem AC-Netz entgegenwirkt. Die Änderungen von zweiter Wirkleistung und zweiter Blindleistung durch den Transistor-GR über den spannungsstellenden Betrieb erfolgen dadurch, dass ein Phasorwinkel und/oder eine Phasoramplitude des Transistor-GR sich nicht unmittelbar ändern, wenn sich ein Phasorwinkel und/oder eine Phasoramplitude des AC-Netzes sich ändern und benötigen keinen weiteren Kommunikationsaufwand.

In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt im zweiten Betriebszustand eine Aufteilung der über den Hybrid-GR fließenden Gesamt-Wirkleistung zwischen dem Transistor-GR und dem Thyristor-GR dadurch, dass die Frequenz-Wirkleistungs- Kennlinie des Transistor-GR und ein Phasenanschnitt oder eine Phasenanschnittsteuerung des Thyristor-GR gleichzeitig und in koordinierter Weise über eine Steuerungseinheit des Hybrid-Gleichrichters geändert werden. Dabei ist es möglich, dass die Gesamt-Wirkleistung konstant bleibt. Alternativ ist es möglich, dass die Gesamt-Wirkleistung eine vordefinierte zeitliche Änderung wiedergibt, also entsprechend eines Gesamtsollwertverlaufes einstellbar ist.

Weiterhin kann, wenn sich nach einer Änderung von Parametern der AC-Spannung des AC-Netzes ein neuer stationärer Zustand eingestellt hat, eine Aufteilung der Gesamt-Wirkleistung zwischen dem Transistor-GR und dem Thyristor-GR über ein koordiniertes Verschieben der hinterlegten f(P)-Kennlinie des Transistor-GR zusammen mit einer Änderung des Phasenanschnittes oder einer Phasenanschnittsteuerung des Thyristor-GR angepasst werden.

Bei Reduktion der Betriebsleistung des Elektrolyseurs weg von der Nennleistung sollte bevorzugt zunächst der Wirkleistungsbeitrag des Transistor-GR reduziert werden, um den verfügbaren Spielraum für die Blindleistungsbereitstellung zu erhöhen. Bei Reduktion der Leistung des Thyristor-GR sollte immer eine für die Kompensation der durch die Reduktion der Thyristor-Wirkleistung verursachte erste Blindleistung des Thyristor-GR ausreichende Blindleistungsreserve am Transistor- GR vorgehalten werden. Gegebenenfalls kann eine Aufteilung von zweiter Wirkleistung zu erster Wirkleistung optional bei gleichbleibender Gesamt- Wirkleistung geändert werden, indem die zweite Wirkleistung des Transistor-GR reduziert wird, um den Spielraum zu schaffen. Ein Hybrid-GR zur Versorgung einer DC-Last mit einer aus einem AC-Netz gleichgerichteten DC-Spannung mit einem variierbaren Spannungswert weist einen AC-Eingang mit zumindest einem Phasenanschluss zum Anschluss des AC-Netzes und einen DC-Ausgang mit zwei Ausgangsanschlüssen zum Anschluss der DC-Last auf. Der AC-Eingang weist gegebenenfalls einen Neutralleiteranschluss auf. Insbesondere weist ein einphasiger AC-Eingang einen Neutralleiteranschluss zum Anschluss eines Neutralleiters des AC-Netzes auf. Bei einem dreiphasigen AC- Eingang kann ein Neutralleiteranschluss vorgesehen sein, dieser muss aber nicht vorgesehen sein, d. h. er ist optional. Der Hybrid-GR weist weiter einen zwischen dem AC-Eingang und dem DC-Ausgang in einem ersten Pfad angeordneten Thyristor-GR auf. Weiterhin weist der Hybrid-GR einen Transistor-GR auf, der in einem zu dem ersten Pfad parallel geschalteten zweiten Pfad angeordnet ist. Der Hybrid-GR weist zudem eine Steuerungseinheit auf, die ausgelegt und eingerichtet ist, den Hybrid-GR, zumindest in einem mit dem Netz und der DC-Last verbundenen Zustand des Hybrid-GR, gemäß dem oben beschriebenen Verfahren zu betreiben. Es ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile.

In einer Ausführungsform weist der Hybrid-GR außerdem eine zwischen dem AC- Eingang und dem Thyristor-GR und dem Transistor-GR angeordnete Transformatoreinheit auf, die ausgebildet ist, eine an der Transformatoreinheit primärseitig anliegende AC-Spannung mit einer dritten Amplitude über separat zueinander ausgebildete Sekundärwicklungen in eine an der Transformatoreinheit sekundärseitig anliegende erste AC-Spannung mit einer ersten Amplitude und eine an der Transformatoreinheit sekundärseitig anliegende zweite AC-Spannung mit einer zweiten Amplitude zu transformieren. Der Thyristor-GR ist dabei über zumindest eine erste die erste AC-Spannung mit der ersten Amplitude aufweisende Sekundärwicklung der Transformatoreinheit und der Transistor-GR über zumindest eine zweite die zweite AC-Spannung mit der zweiten Amplitude aufweisende Sekundärwicklung der Transformatoreinheit mit dem AC-Eingang verbunden.

In einer Ausführungsform weist die Transformatoreinheit des Hybrid-GR zwei Transformatoren auf, die pro Phase jeweils eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweisen. Dabei ist der Thyristor-GR über einen ersten Transformator der Transformatoren und der Transistor-GR über einen zweiten Transformator der Transformatoren mit dem AC-Eingang verbunden. In einer Ausführungsform handelt es sich bei den zwei Transformatoren um zwei separate Transformatoren. Dabei ist der Ausdruck separate Transformatoren so zu verstehen, dass jeder Transformator seinen eigenen Kem aufweist, also auch zwei separate Kerne vorhanden sind. Derartige Transformatoren sind üblicherweise auch in getrennten Gehäusen untergebracht. Es ist jedoch auch möglich, dass die getrennten Kerne in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Hierdurch ist es möglich, dem Thyristor-GR und dem Transistor-GR unterschiedliche AC- Eingangsspannungen zur Verfügung zu stellen. Weil ein Thyristor-Gleichrichter ähnlich wie ein Tiefsetzsteller und ein Transistor-Gleichrichter ähnlich wie ein Hochsetzsteller wirkt, kann hierdurch ein Hybrid-GR realisiert werden, bei dem Thyristor-GR und Transistor-GR überlappende Spannungsbereiche für die DC- Spannung an ihren DC-Ausgängen zur Verfügung stellen. Dabei kann der zweite Betriebszustand des Hybrid-GR bei DC-Spannungen innerhalb des überlappten Bereiches liegen.

In einer Ausführungsform weist die Transformatoreinheit des Hybrid-GR einen durch den Thyristor-GR und Transistor-GR gemeinsam genutzten Transformator auf, der pro Phase eine Primärwicklung und zwei Sekundärwicklungen aufweist, wobei der Thyristor-GR mit einer ersten Sekundärwicklung und der Transistor-GR mit einer zweiten Sekundärwicklung der Sekundärwicklungen verbunden ist. Bevorzugt handelt es sich bei den zwei Sekundärwicklungen um getrennte, d. h. insbesondere elektrisch voneinander getrennte Sekundärwicklungen. Da die Sekundärwicklungen vorteilhafterweise unterschiedliche AC-Spannungen aufweisen, können sie zwar an einem ihrer Enden verbunden sein, sie sind jedoch bevorzugt nicht an beiden Enden miteinander verbunden.

In einer Ausführungsform des Hybrid-GR sind die Übersetzungsverhältnisse des ersten Transformators und des zweiten Transformators oder die Übersetzungsverhältnisse des gemeinsam genutzten Transformators von der Primärwicklung auf die Sekundärwicklungen so gewählt, dass die erste Amplitude der ersten AC-Spannung an einem AC-Eingang des Thyristor-GR die zweite Amplitude der zweiten AC-Spannung an einem AC-Eingang des Transistor-GR übersteigt. In einer Ausführungsform weist der Hybrid-GR mehrere Thyristor-GR und/oder mehrere Transistor-GR auf, die jeweils zwischen dem AC-Eingang und dem DC- Ausgang angeordnet sind. Bevorzugt sind die mehreren Thyristor-GR parallel zueinander geschaltet. Bevorzugt sind die mehreren Transistor-GR parallel zueinander geschaltet.

In einer Ausführungsform des Hybrid-GR ist der Transistor-GR als spannungsstellender Transistor-GR ausgebildet, dessen Betrieb über eine Frequenz- Wirkleistungs-Kennlinie, und/oder über eine Spannungs-Blindleistungs-Kennlinie gesteuert wird. Falls der Hybrid-GR eine Vielzahl von Transistor-GR aufweist, ist zumindest einer, mehrere oder jeder der Transistor-GR als spannungsstellender Transistor-GR ausgebildet, dessen Betrieb über eine Frequenz-Wirkleistungs- Kennlinie und/oder über eine Spannungs-Blindleistungs-Kennlinie gesteuert wird.

In einer Ausführungsform des Hybrid-GR liegt eine Nennleistung des Transistor-GR zwischen 30% und 80% einer Nennleistung des Thyristor-GR.

Eine vorteilhafte Ausführungsform einer Elektrolyseanlage weist einen oben beschriebenen Hybrid-GR und einen Elektrolyseur als DC-Last auf.

Kurzbeschreibung der Figuren

Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung mithilfe von Figuren näher erläutert. Von diesen zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb eines Hybrid-Gleichrichters;

Fig. 2 schematisch eine Ausführungsform eines Hybrid-Gleichrichters;

Fig. 3 schematisch eine weitere Ausführungsform eines Hybrid-Gleichrichters;

Fig. 4a schematische Darstellung zum Verhalten eines spannungsstellenden Transistor-Gleichrichters bei Änderung der Frequenz f am Beispiel einer f(P)-Kennlinie in einer Ausführungsform.

Fig. 4b schematische Darstellung zum Verhalten des spannungsstellenden Transistor-Gleichrichters bei Änderung der f(P)-Kennlinie in einer Ausführungsform. Fiqurenbeschreibunq

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Hybrid-GR 1 , beispielsweise eines Hybrid-GR 1 wie in der Fig. 2 oder in Fig. 3 dargestellt, illustriert. Bei dem Verfahren wird ein erster Betriebszustand BZ1 des Hybrid-GR 1 eingenommen, wenn eine DC-Spannung UDC an einem DC-Ausgang 12 des Hybrid-GR 1 unterhalb eines Spannungs-Schwellwertes UTH liegt. Ein zweiter Betriebszustand BZ2 des Hybrid-GR wird eingenommen, wenn die DC-Spannung UDC am DC-Ausgang 12 des Hybrid-GR 1 den Spannungs-Schwellwert UTH erreicht oder überschreitet.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybrid-GR 1 zur Versorgung einer DC-Last 30 mit einer aus einem AC-Netz 20 gleichgerichteten und in ihrem Spannungswert variierbaren DC-Spannung UDC schematisch dargestellt. Der Hybrid-GR 1 weist einen AC-Eingang 11 , einen DC-Ausgang 12 und einen zwischen dem AC-Eingang 11 und dem DC-Ausgang 12 in einem ersten Pfad 15 angeordneten Thyristor-GR 2 auf. Der Hybrid-GR 1 weist ferner einen Transistor-GR 3 auf, der in einem parallel zu dem ersten Pfad 15 geschalteten zweiten Pfad 16 angeordnet ist. Über den AC-Eingang 11 kann der Hybrid-GR 1 mit z. B. mehrphasiger, insbesondere dreiphasiger, Wechselspannung verbunden werden. Hierzu kann der AC-Eingang 11 des Hybrid-GR 1 mehrere, insbesondere drei Phasenanschlüsse, gegebenenfalls auch einen Neutralleiteranschluss aufweisen. Es ist ebenfalls möglich, den Hybrid-GR 1 als einphasigen Hybrid-GR auszuführen. In diesem Fall weist der AC-Eingang 11 lediglich einen Phasenanschluss und einen Neutralleiteranschluss auf, um den Hybrid-GR 1 über den AC-Eingang 11 mit einem Phasenleiter und einem Neutralleiter des AC-Netzes 20 zu verbinden.

Im ersten Betriebszustand BZ1 des Hybrid-GR 1 , in dem der Transistor-GR 3 von einem DC-Ausgang 12 getrennt und mit einem AC-Eingang 11 verbunden ist und in dem der Thyristor-GR 2 sowohl mit dem AC-Eingang 11 als auch mit dem DC- Ausgang 12 verbunden ist, wird eine Gesamt-Wirkleistung P von dem AC-Eingang 11 zu dem DC-Ausgang 12 über den Thyristor-GR 2 transportiert. Dabei wird über den Thyristor-GR 3 eine erste Wirkleistung PThy transportiert, während über den Transistor-GR 3 keine zweite Wirkleistung PTra transportiert wird. Im ersten Betriebszustand BZ1 entspricht die Gesamt-Wirkleistung P also der ersten Wirkleistung P-my.

Im zweiten Betriebszustand BZ2 des Hybrid-GR 1 sind der Thyristor-GR 2 und der Transistor-GR 3 jeweils mit dem AC-Eingang 11 einerseits und mit dem DC-Ausgang 12 andererseits verbunden. Die Gesamt-Wirkleistung P wird im zweiten Betriebszustand BZ2 von dem AC-Eingang 11 zu dem DC-Ausgang 12 des Hybrid- GR 1 sowohl über den Thyristor-GR 2 als auch über den Transistor-GR 3 transportiert. Über den Thyristor-GR 2 wird die erste Wirkleistung P-my und über den Transistor-GR3 wird die zweite Wirkleistung P-ma transportiert. Im zweiten Betriebszustand BZ2 entspricht die Gesamt-Wirkleistung P also einer Summe aus erster Wirkleistung P-my und zweiter Wirkleistung Pi-ra.

Der Thyristor-GR 2 weist einen AC-Eingang 2.1 und einen DC-Ausgang 2.2 auf. Der Transistor-GR 3 weist einen AC-Eingang 3.1 und einen DC-Ausgang 3.2 auf. Über eine DC-Trenneinheit 9 kann der DC-Ausgang 3.2 des Transistor-GR 3 mit dem DC- Ausgang 12 des Hybrid-GR verbunden oder von dem DC-Ausgang 12 getrennt werden. Eine solche Trennung kann z. B. im ersten Betriebszustand BZ1 des Hybrid- GR 1 vorliegen. Durch Schließen der DC-Trenneinheit 9 kann der Hybrid-GR 1 dann in den zweiten Betriebszustand BZ2 überführt werden. Über AC-Trenneinheiten 8 können der Thyristor-GR 2 und der Transistor-GR 3 auf ihrer AC-Seite von dem AC- Netz 20 getrennt werden. Eine solche Trennung kann zum Beispiel zu Wartungszwecken erwünscht sein. Eine Ansteuerung der DC-Trenneinheit 9 und der AC-Trenneinheiten 8 kann z. B. durch die Steuereinheit 17 erfolgen.

Der Hybrid-GR 1 weist außerdem eine Transformatoreinheit 10 mit einem ersten Transformator 4 und einem zweiten Transformator 5 auf. Der erste Transformator 4 weist eine erste Primärwicklung 4P und eine erste Sekundärwicklung 4S auf. Der zweite Transformator 5 weist eine zweite Primärwicklung 5P und eine zweite Sekundärwicklung 5S auf. Über den ersten Transformator 4 wird die am AC-Eingang 11 des Hybrid-GR 1 anliegende AC-Spannung mit einer dritten Amplitude ÜAC in eine erste AC-Spannung mit einer ersten Amplitude ÜThy übersetzt. Die erste AC- Spannung mit der ersten Amplitude ÜThy liegt dann am AC-Eingang 2.1 des Thyristor- GR 2 an. Über den zweiten Transformator 5 wird die am AC-Eingang 11 anliegende AC-Spannung mit der dritten Amplitude ÜAC in eine zweite AC-Spannung mit einer zweiten Amplitude Ihra übersetzt. Die Spannung mit der zweiten Amplitude Ihra liegt dann am AC-Eingang 3.1 des Transistor-GR 3 an. Die in Fig. 2 illustrierte Transformatoreinheit weist getrennte Transformatoren 4, 5 mit jeweils einem separat vorliegenden Kem auf. Die Transformatoren 4, 5 mit ihren separaten Kernen können jeweils in einem separaten Gehäuse oder in einem gemeinsamen Gehäuse vorliegen. Durch das Vorsehen von getrennten Transformatoren 4, 5 kann die AC- Spannung mit der dritten Amplitude ÜAC in verschiedene AC-Eingangsspannungen für den Thyristor-GR 2 und den Transistor-GR 3 übersetzt werden.

Sollte die AC-Spannung am AC-Eingang 11 mehrere, z. B. drei, Phasen umfassen, so kann pro Phase ein erster und ein zweiter Transformator 4, 5 vorgesehen sein. Es ist auch möglich, dass bei einer mehrphasigen AC-Spannung lediglich ein erster und ein zweiter Transformator 4, 5 vorgesehen ist und pro Phase eine erste Primärwicklung 4P, eine erste Sekundärwicklung 4S, eine zweite Primärwicklung 5P und eine zweite Sekundärwicklung 5S vorgesehen sind.

Mit dem AC-Netz 20 tauscht der Hybrid-GR 1 eine Gesamt-Blindleistung Q aus. Die DC-Last 30 wird über den Hybrid-GR 1 mit einer Gesamt-Wirkleistung P versorgt. Über den Thyristor-GR 2 wird die erste Wirkleistung P-m _y transportiert und über den Transistor-GR 3 wird die zweite Wirkleitung P-ma transportiert. Die erste Wirkleistung P-my und die zweite Wirkleistung P-ma addieren sich zur Gesamt-Wirkleistung P. Der Thyristor-GR 2 erzeugt eine erste Blindleistung Q-m _y und der Transistor-GR 3 erzeugt eine zweite Blindleistung Q-ma, die sich zur Gesamt-Blindleistung Q addieren. Dabei ist die von dem Transistor-GR 3 erzeugte zweite Blindleistung Q-ma relativ zu der ersten Blindleistung Q-my so gewählt, dass sie die erste Blindleistung Q-m _y zumindest teilweise, gegebenenfalls auch vollständig kompensiert. Auf diese Weise kann die mit dem AC-Netz 20 ausgetauschte Gesamt-Blindleistung Q reduziert oder minimiert werden.

Der Hybrid-GR 1 in Fig. 2 ist Bestandteil einer Elektrolyseanlage 40, welche als DC- Last 30 einen Elektrolyseur 31 aufweist. Die Halbleiterschalter des Thyristor-GR 2 und des Transistor-GR 3 werden über eine Steuereinheit 17 angesteuert. Die Steuereinheit 17 weist einen Rechner und Speicher auf und ist ausgelegt und eingerichtet, den Hybrid-GR 1 gemäß dem beschriebenen Verfahren zu betreiben.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform eines Hybrid-GR 1 schematisch dargestellt. Wesentliche Bestandteile des in Fig. 3 dargestellten Hybrid-GR entsprechen denen des in Fig. 2 dargestellten Hybrid-GR. Sie sind in Fig. 2 und Fig. 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Im Folgenden werden besonders die Unterschiede zur Ausführungsform von Fig. 2 dargestellt. Die in Fig. 3 dargestellte Transformatoreinheit 10 weist einen Transformator 6 auf, der eine Primärwicklung 6P, eine erste Sekundärwicklung 6P1 und eine zweite Sekundärwicklung 6P2 umfasst. Der Transformator 6 weist dabei bevorzugt einen einzigen Kem auf, an dem die Wicklungen 6P, 6S1 , 6S2 angebracht sind, so dass die erste Sekundärwicklung 6S1 und die zweite Sekundärwicklung 6S2 induktiv mit der einen Primärwicklung 6P gekoppelt sind. Über den Transformator 6 wird die am AC-Eingang 11 des Hybrid-GR 1 anliegende AC-Spannung mit der dritten Amplitude ÜAC über die Primärwicklung 6P und die erste Sekundärwicklung 6S1 in die Spannung mit der ersten Amplitude ÜThy übersetzt. Die Spannung mit der ersten Amplitude ÜThy liegt dann am AC-Eingang 2.1 des Thyristor-GR 2 an. Über den Transformator 6 wird die AC-Spannung mit der dritten Amplitude ÜAC weiterhin über die Primärwicklung 6P und die zweite Sekundärwicklung 6S2 in die zweite AC- Spannung mit der zweiten Amplitude ÜTra übersetzt. Die zweite AC-Spannung mit der zweiten Amplitude Ü^a liegt dann am AC-Eingang 3.1 des Transistor-GR 3 an. Durch das Vorsehen von getrennten Sekundärwicklungen 6S1 , 6S2 kann die am AC- Eingang 11 anliegende AC-Spannung mit der dritten Amplitude ÜAC in verschiedene AC-Eingangsspannungen für den Thyristor-GR 2 und den Transistor-GR 3 übersetzt werden.

Sollte die AC-Spannung am AC-Eingang 11 mehrere, z. B. drei, Phasen umfassen, so kann pro Phase ein Transformator 6 vorgesehen sein. Es ist auch möglich, dass bei einer mehrphasigen AC-Spannung lediglich ein Transformator 6 vorgesehen ist und pro Phase eine erste Primärwicklung 6P, eine erste Sekundärwicklung 6S1 und eine zweite Sekundärwicklung 6S2 vorgesehen sind. Anhand von Fig. 4a und 4b werden im Folgenden Möglichkeiten des spannungsstellenden Betriebs des dem Hybrid-GR 1 zugeordneten Transistor-GR 3 beschrieben. Mit dem spannungsstellenden Betrieb ist der Transistor-GR 3 in der Lage, auf eine Änderung von Parametern wie Frequenz und dritter Amplitude ÜAC der AC-Spannung des AC-Netzes 20 in netzstützender Weise zu reagieren. Für den spanungsstellenden Betrieb ist in dem Transistor-GR 2 eine Frequenz-Wirkleistungs- Kennlinie (f(P)-Kennlinie) 41 hinterlegt. Die f(P)-Kennlinie 41 gibt an, mit welcher Frequenz f eine AC-Spannung an dem AC-Eingang 3.1 des Transistor-GR 3 gestellt wird. Über die f(P)-Kennlinie 41 verhält sich der Transistor-GR 3 ähnlich einer mit dem AC-Netz 20 verbundenen Synchron-Maschine. Steigt beispielsweise eine Frequenz f der AC-Spannung in dem AC-Netz 20 an, so führt der spannungsstellende Betrieb automatisch und nahezu instantan zu einer Zunahme der über den Transistor-GR 3 in Richtung der DC-Last 30 fließenden zweiten Wirkleistung P-rra und somit zu einem stärkeren Leistungsverbrauch von Wirkleistung P aus dem AC-Netz 20, um somit dem Anstieg der Frequenz f entgegenzuwirken. Sinkt hingegen die Frequenz f der AC-Spannung in dem AC-Netz 20, so resultiert der spannungsstellende Betrieb nahezu instantan in einer Abnahme der über den Transistor-GR 3 in Richtung der DC-Last 30 fließenden zweiten Wirkleistung P-rra und somit zu einem geringeren Leistungsverbrauch der DC-Last 30. Das Verhalten des spannungsstellenden Transistor-GR 3 wird exemplarisch für eine Änderung, insbesondere eine Zunahme der Frequenz f in Verbindung mit Figur 4a detaillierter beschrieben.

In Fig. 4a ist exemplarisch eine Frequenz-Wirkleistungs-Kennlinie 41 illustriert, wie sie beispielsweise in einem spannungsstellenden Transistor-GR 3 des Hybrid-GR 1 hinterlegt sein kann. Sie gibt die Frequenz f der AC-Spannung an, die der Transistor- GR 3 an seinem AC-Eingang 3.1 bei einer über ihn fließenden zweiten Wirkleistung PiTa stellt. Dabei kennzeichnet der nach links gerichtete Teil der x-Achse (Verbrauch) eine aus dem AC-Netz 20 über den Transistor-GR 3 in Richtung der DC-Last 30 fließende Wirkleistung, während der nach rechts gerichtete Teil der x-Achse (Erzeugung) eine von dem Transistor-GR 3 in Richtung des AC-Netzes 20 fließende Wirkleistung kennzeichnet. Ausgangspunkt ist in Figur 4a ein erster Arbeitspunkt Ai des Transistor-GR 3, der sich aus einem Schnittpunkt der im AC-Netz 20 vorliegenden Frequenz fi mit der in dem Transistor-GR 3 hinterlegten f(P)-Kennlinie 41 ergibt. In diesem ersten Arbeitspunkt Ai fließt über den Transistor-GR 3 eine Wirkleistung PTra.i aus dem AC-Netz 20 in Richtung der DC-Last 30, z. B. des Elektrolyseurs 31. Ändert sich nun die Frequenz f in dem AC-Netz 20 von dem Wert fi auf einen Wert f2, so führt dies zu einem Phasenunterschied an dem AC-Eingang 3.1 des Transistor-GR 3, der zunächst weiterhin die Spannung mit der Frequenz fi stellt. Der Phasenunterschied erzeugt jedoch einen zusätzlichen Strom aus dem AC- Netz 20 in den Transistor-GR 3, wodurch die zweite Wirkleistung P-rra steigt. Den Anstieg der zweiten Wirkleistung P-rra detektiert der Transistor-GR 3 und passt entsprechend der hinterlegten f(P)-Kennlinie 41 die Frequenz f der an seinem AC- Eingang 3.1 durch ihn gestellten AC-Spannung an. Auf diese Weise wandert der anfängliche erste Arbeitspunkt Ai über einen temporären Arbeitspunkt A‘ auf einen zweiten Arbeitspunkt A2, der wiederum ein Schnittpunkt zwischen der in dem AC- Netz 20 herrschenden Frequenz f2 und der f(P)-Kennlinie 41 des Transistor-GR 3 ist. In dem neuen zweiten Arbeitspunkt A2 fließt nun bei der höheren Frequenz f2 eine größere zweite Wrkleistung PTra,2 über den Transistor-GR 3, als dies in dem ersten Arbeitspunkt Ai mit der zweiten Wirkleistung Pira.i der Fall war.

In ähnlicher Weise führt eine Änderung einer dritten Amplitude ÜAC der AC-Spannung in dem AC-Netz 20 in Verbindung mit einer in dem Transistor-GR 3 hinterlegten Spannungs-Blindleistungs-Kennlinie dazu, dass der Transistor-GR 3 seine zweite Blindleistung C ra derart ändert, dass die zweite Blindleistung C ra der verursachenden Änderung der dritten Amplitude ÜAC in dem AC-Netz 20 entgegenwirkt. Die Änderungen von zweiter Wirkleistung P-rra und zweiter Blindleistung C ra durch den Transistor-GR 3 über den spannungsstellenden Betrieb erfolgen dabei automatisch und benötigen keinen weiteren Kommunikationsaufwand. Wenn sich nach einer Änderung von Parametern der AC-Spannung des AC-Netzes 20 ein neuer stationärer Zustand eingestellt hat, kann eine Aufteilung der Gesamt- Wirkleistung P zwischen dem Transistor-GR 3 und dem Thyristor-GR 2 über ein koordiniertes Verschieben der hinterlegten f(P)-Kennlinie 41 zusammen mit einer Änderung des Phasenanschnittes angepasst werden. Beide Änderungen, die der ersten Wirkleistung P-my und die der zweiten Wirkleistung PTRB können so erfolgen, dass sich die über den Hybrid-GR 1 in Richtung der DC-Last 30 fließende Gesamt- Wirkleistung P nicht ändert. Das Verhalten des spannungsstellenden Transistor-GR 3 bei Änderung der f(P)-Kennlinie 41 wird in Verbindung mit Figur 4b detailliert erläutert. Nachdem sich ein neuer Gleichgewichtszustand zwischen dem Transistor-GR 3 des Hybrid-GR 1 und dem AC-Netz 20 gebildet hat, kann die f(P) Kennlinie 41 seitens der Steuereinheit 17 geändert werden, beispielsweise verschoben werden. Exemplarisch ist in Fig. 4b dargestellt, dass die ursprüngliche f(P)-Kennlinie 41 in Richtung höherer Frequenz f in die geänderte f(P)-Kennlinie 42 verschoben wird. Entsprechend wandert der zweite Arbeitspunkt A2 nahezu instantan mit der Verschiebung der f(P)- Kennlinie 41 in den dritten Arbeitspunkt A3, bei dem, bei ansonsten ungeänderter Frequenz f2 eine aktualisierte zweite Wirkleistung PTra,3 über den Transistor-GR 3 fließt, die (in dem in Fig. 4b illustrierten Beispiel) kleiner als die dem zweiten Arbeitspunkt A2 zugeordnete ursprüngliche zweite Wirkleistung PTRa,2 des Transistor- GR 3 ist. Mit der Änderung der ursprünglichen f(P) - Kennlinie 41 in die geänderte f(P)-Kennlinie 42 und der dadurch erzeugten Änderung der zweiten Wirkleistung P-rra des Transistor-GR 3 kann zeitgleich in koordinierter Weise ebenfalls der Phasenanschnitt des Thyristor-GR 2 geändert werden. Beide Änderungen können über die Steuereinheit 17 koordiniert werden und so erfolgen, dass die Gesamt- Wirkleistung P, die über den Hybrid-GR 1 fließt, unverändert bleibt, jedoch anders zwischen dem Transistor-GR 3 und dem Thyristor-GR 2 des Hybrid-GR 1 aufgeteilt wird.

Ähnlich wie in Verbindung mit Fig. 4b erklärt, kann auch eine im Transistor-GR 3 hinterlegte Spannungs-Blindleistungs-Kennlinie, gegebenenfalls zusammen und koordiniert mit einer Änderung des Phasenanschnittes oder der Phasenanschnittsteuerung des Thyristor-GR 2 verschoben werden, um die von dem Transistor-GR 3 erzeugte zweite Blindleistung C ra zu ändern. Die in den Figuren 4a und 4b dargestellten Änderungen der Arbeitspunkte Ai, A‘, A2, A3 können so erfolgen, dass während der Änderung eine lediglich vernachlässigbare Abweichung zur f(P)-Kennlinie - wie auch zu einer U(Q) - Kennlinie - auftritt. Mit anderen Worten kann sich der Arbeitspunkt auf der jeweiligen Kennlinie 41 während deren Änderung so verschieben, dass er zumindest näherungsweise stets dem Schnittpunkt der f(P)- Kennlinie mit der im AC-Netz 20 herrschenden Frequenz f, bzw. einem Schnittpunkt der U(Q)-Kennlinie mit der im AC-Netz 20 herrschenden Spannungsamplitude ÜAC entspricht, oder insbesondere der zweiten Spannungsamplitude Ihra der zweiten AC- Spannung, die an dem AC-Eingang 3.1 des Transistor-GR 3 anliegt entspricht. Bezuqszeichenliste

1 Hybrid-GR

2 Thyristor-GR

2.1 AC-Eingang

2.2 DC-Ausgang

3 Transistor-GR

3.1 AC-Eingang

3.2 DC-Ausgang

4, 5, 6 Transformator

4P, 5P, 6P Primärwicklung

4S, 5S, 6S.1 , 6S.2 Sekundärwicklung

8 AC-Trenneinheit

9 DC-Trenneinheit

10 T ransformatoreinheit

11 AC-Eingang

12 DC-Ausgang

15 erster Pfad

16 zweiter Pfad

17 Steuereinheit

20 AC-Netz

30 DC-Last

31 Elektrolyseur

40 Elektrolyseanlage

41 , 42 Kennlinien f, fi, f2 Frequenzen

Q Gesamt-Blindleistung

ÜThy erste Blindleistung

Qlra zweite Blindleistung

P Gesamt-Wirkleistung

Pfhy erste Wirkleistung r Tra, rTra,1, rTra,2 zweite Wirkleistung

UTH Spannungs-Schwellwert

BZ1 erster Betriebszustand BZ2 zweiter Betriebszustand

ÜThy erste Amplitude

ÜTra zweite Amplitude

ÜAC dritte Amplitude

UDC DC-Spannung

Ai, A2, A3, A‘ Arbeitspunkte