CN120092104A - 包括电解设备和功率供应源的设备网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设备网络(100)，其包括电解设备(1、1A、1B)、具有直流电压输出(7)的功率供应源(3)以及中央供应线路(5)，其中中央供应线路(5)连接到功率供应源(3)的DC电压输出(7)，使得直流电流可以馈送到中央供应线路(5)中，并且提供被设计成用于高电压的中央DC网络，电解设备(1、1A、1B)经由中央供应线路(5)连接到中央DC网络。作为发电机的功率供应源(3)包括风力涡轮机(19)，具有DC电压输出(7)的整流器(13A)连接到风力涡轮机(19)，其中DC电压输出(7)被设计成用于高电压，并且其中可控能量储存系统(17)连接到中央供应线路(5)，该可控能量储存系统(17)被设计成使得直流电流可以根据需要通过能量储存系统(17)馈送到中央供应线路(5)中，或者可以从中央供应线路(5)释放并馈送到能量储存系统(17)中。在设备网络(100)中实现DC供电网络，能够独立地施加和控制三种不同的DC电压电平，其中第一DC电压作为用于对能量储存系统(17)的蓄电池进行充电和放电的蓄电池电压提供，第二DC电压作为中央供应线路(5)上的DC总线高电压提供，并且第三DC电压作为电解设备(1)的DC操作电压提供。此外，本发明涉及一种用于操作相应的设备网络(100)的方法。

Description

包括电解设备和功率供应源的设备网络

技术领域

本发明涉及一种设备网络，其包括电解设备和功率供应源，功率供应源具有作为发电机的风力涡轮机。本发明还涉及一种用于操作这种设备网络的方法。

背景技术

电解设备是使用电流引起材料转化(电解)的装置。根据各种不同的电化学电解过程，存在各种电解设备，例如用于水电解的电解设备。

目前，通过质子交换膜(PEM)电解、阴离子交换膜或碱性电解由水生产氢。电解设备借助于电能由供应的水生产氢和氧。该过程在由若干电解单元构成的电解组中进行。在直流电压(DC电压)下的电解组中，水作为反应物被引入，由此在水通过电解单元之后，由水和气泡(O₂或H₂)构成的两种流体流逸出。

当前的研究方向是利用可再生能源在日照充足及风力充沛时段的过剩能量(即，利用高于平均水平的太阳能或风能发电)生产可循环材料。有价值的材料可以具体是氢，其由水电解设备生产。例如，在氢的基础上，可以生产所谓的可再生能源气体，也被称为可再生能源气体(RE-Gas)。RE-Gas是借助于电能从可再生资源中获得的可燃气体。

氢是特别环保且可持续的能量载体。它具有实现能量系统、交通运输以及大部分化学反应而无CO₂排放的独特潜力。然而，要实现这一目标，氢必须不能来自于化石能源，而是必须借助于可再生能源来生产。与此同时，由可再生能源产生的至少越来越多比例的电力正被馈送到公共电网。因此，根据电力混合，当用来自公共电网的电力操作电解设备时，可以产生相应比例的绿色氢。

在工业规模的电解中，直流电流主要由电网控制整流器提供。电网侧上的AC电压的这种整流过程会因整流器的工作特性而产生谐波，这会对转换电网和/或DC电网造成负载影响。

在公开文献EP3723254A1中公开了这种电解设备，其连接到公共电网并因此配备有干线电力。为此，电解设备具有包括四个线圈组和四个整流器的电路布置。线圈布置的第一线圈各自连接到整流器之一的DC电压侧。电路布置还包括两个变压器，每个变压器具有初级绕组和两个次级绕组。变压器的初级绕组连接到电网，例如中压电网或高压电网。以此方式，尽管减少第一线圈内的铁含量，仍可以实现直流电流的期望的平滑处理或谐波抑制。

风能的日益使用是可再生能源的来源。特别是对于沿海(所谓的离岸风能场所)，可以实现大规模的电力输出。然而，具有挑战性的是必须克服与用户之间的远距离问题。因此，能量应尽可能无损耗地输送到用户。氢非常适合作为输送介质和能量载体。例如，其可以气态形式由管道来使用。此处的积极方面是，因为内部压力可以在一定限度内变化，所以载氢管道可以同时实现能量储存系统的功能。

基于这些考虑，直接在能量生产地(即自给自足且独立于公共电网)生产氢具有特别的经济意义。为此，提出了在海事部门的离岸平台上直接在离岸风力涡轮机或紧邻离岸风力涡轮机的位置安装电解设备，并为它们供应所生产的电力。

对于陆地，也提出了这样的概念，即，通过直接连接到电解设备至少部分地使用来自岸上风力涡轮机或光伏系统的电力直接用于氢生产。在所有这些应用中，电解设备是所谓的独立电网或独立模式系统的一部分。因此，电解电流不是从公共电网获得的，而是直接从风力涡轮机或PV系统供应并馈送到电解设备的电解器中。与上述电网控制的操作相比，独立操作给电解设备与相应的可再生能源生产设备(无论是风力涡轮机还是光伏系统)的电连接和互连带来了非常特殊的挑战和问题，特别是与RES生产设备直接连接的电解设备安全且无故障地操作。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种设备网络，其中当电解系统连接到作为功率供应源的风力涡轮机时，可以实现电解系统的可靠运行，其中可以实现高可用性和操作灵活性，特别是关于电解系统的部分负载能力。本发明的另一个目的是提出一种用于操作这种设备网络的方法。

根据本发明，通过一种设备网络来实现针对设备网络的目的，该设备网络包括电解设备、具有DC电压输出的功率供应源以及中央供应线路，其中，中央供应线路连接到功率供应源的DC电压输出，使得直流电流能够被馈送到中央供应线路中，并且提供了被设计成用于高电压的中央DC网络，电解设备经由中央供应线路连接到中央DC网络，其中，作为发电机的功率供应源具有风力涡轮机，具有DC电压输出的整流器连接到风力涡轮机，其中，DC电压输出被设计成用于高电压，并且其中可控能量储存系统连接到中央供应线路，可控能量储存系统被设计成使得在中央供应线路中，通过能量储存系统，直流电流可以根据需要被馈入中央供应线路或者可以从中央供应线路被释放并馈送到能量储存系统中，并且其中提供了DC供电网络，该DC供电网络使得能够独立地施加和控制三种不同的DC电压电平，其中第一DC电压作为用于对能量储存系统的蓄电池进行充电和放电的蓄电池电压提供，其中第二DC电压作为中央供应线路上的DC总线高电压提供，并且其中第三DC电压作为电解设备的DC操作电压提供。

在DC电压输出处用于中央供应线路的DC电压电平的术语“高电压”不应以限制性的方式理解，而是应以功能方式理解。下面将解释术语的范围。

本发明已经基于以下发现：电解设备中的电解器在低部分负载下操作、能量输入易发生变化以及重复停机都对其效率和寿命以及氢的纯度具有负面影响。然而，当为电解器供电的能源是可再生能源(例如风力涡轮机)时，由于其易变性较高，所以这些情况经常发生。

目前，电解设备直接连接到可再生能源以及电网，以平滑可再生能源发电量并避免上述问题。但是当系统以孤岛模式操作而没有电网连接时，这是不可能的。在设备网络中实现孤岛模式是特别具有挑战性的。

本发明有利地在设备网络中将中央供应线路上可用的中央DC网络的概念与连接到中央DC供应线路的可控能量储存系统相结合。因此，本发明避免了可能直接连接到可再生能源(例如风力涡轮机)以及带有很多不足的直接连接到公共电网的任何储存装置。在本领域中先前已经提出了将电池直接连接到风力涡轮机的整流器输出的那些概念。这种直接连接使集成变得复杂，因为在操作中，电池上的电压电平需要跟随整流器的输出电压电平。

然而，利用根据本发明的该设备网络，可以非常有效地平滑来自风力涡轮机的可再生能源发电量并避免上述问题，其中可控能量储存系统连接到中央供应线路，该可控能量储存系统被设计成使得在中央供应线路中，通过能量储存系统，直流电流可以根据需要从能量储存系统被释放并馈送到中央供应线路中，或者能量储存系统可以通过用来自中央供应线路的电能为其供电而充电。

因此，可控能量储存系统集成在风力供电的电解器系统的DC总线中，并且能够独立地且解耦地在设备网络中施加和控制三种不同的DC电压电平，这为能量储存提供了高的操作灵活性以及平滑且有效的运行和控制。供应到电解器系统的DC电压电平可以根据负载或氢生产量而变化。更靠近发电机的DC电压电平也可以根据能量生产量或风力的可用性而变化。最后一个是能量储存系统上的电压，其可以根据电池状态而变化。这允许连接能量储存单元，以通过减少功率波动和停机次数来确保电解器系统的电解器更好地操作。这还允许使用发电机侧整流器系统，其设计与现今的风力涡轮机相近或相同。特别的优点是可以实现与电解系统的低部分负载能力相关的高可用性和操作灵活性。

特别地，要指出的优点是，在能量储存系统的充电和放电时的风力发电量的波动被平滑，并且还稳定了电解设备在低部分负载情况下的操作。

此外，为了尽可能成本有效且高效地解决具有电解系统的设备网络中的连接和传输问题，本发明提出了经由特别配备的中央DC网络来连接电解设备。该DC电网在中央供应线路上提供特定高电压和电功率，并用作直流电流的传输和分配网络。经由中央DC电网，所需的传输功率从功率供应源传输到电解设备，使得电解电流可供使用。可以灵活地选择DC网络的高电压并将其调节到所需的DC连接的值。

在设备网络中，作为发电机的功率供应源包括风力涡轮机，具有DC电压输出的整流器连接到该风力涡轮机，其中DC电压输出被设计成用于高电压。以此方式，经由中央DC供应线路在设备网络中实现了连接或直流电流连接以及通过风力涡轮机对电解设备供电，其中可以有利地在孤岛模式下实现独立电网操作。如果设备网络在独立电网中操作，则不会连接到公共电网。因此，公共电网的从50Hz至60Hz的电网频率与独立于频率的DC电网中的电气部件的设计和操作无关。此外，没有部件和转换损耗(例如变压器)的成本，或者没有必要的重新对准、传输或整流的成本。这实现了更有利的成本定位，同时DC网络中的连接部件的设计和选择具有灵活性。利用被设计为DC总线的中央供应线路实现了独立于市电频率的操作。

在DC电压输出处用于中央供应线路的DC电压电平的术语“高电压”不应以限制性的方式理解。例如，优选地，当被使用时，为中央供应线路上的特定高电压提供DC电压输出，其DC输出电压高于1.5kV，具体地，高于10kV。然而，DC高电压的最小电压电平需要高于所需的电解器操作电压。通常，DC电压输出被设计成用于中央供应线路的高电压，并且根据需要以对应的电压电平(即可选地，3kV、6kV、10kV、15kV、20kV、30kV的中压电平，或者60kV或110kV的高电压)输出特定的高电压。电压电平可以根据设备网络的特定应用和要求灵活地适配和改变。

中央DC供应线路的概念对于所连接的能量储存系统是易于扩展的，并且对于经由DC电网供电的电解设备的数量以及功率供应源的类型是非常灵活的。中央供应线路上的DC电网还能实现相对于被馈送到中央供应线路中的电功率的可能生产类型的解耦和独立。例如，设备网络原则上可以被设计成用于独立电网操作(仅孤岛模式)，或者还可以连接到公共网络。有利的组合也是可能的，并且从不同的功率供应源(例如风能、光伏或水力发电)处获得电力。

在设备网络的有利的实施例中，能量储存系统包括储存单元和双向DC-DC转换器，储存单元包括蓄电池，双向DC-DC转换器连接到储存单元，其DC电压输出被设计成用于高电压。

能量储存系统的这种设计对于可靠且平滑地从储存单元放电以及在储存单元中储存电能都具有显著的优点。由于DC-DC转换器，可以灵活地调节用于放电和储存的电压电平。因此，根据所需的DC电压，与施加在中央供应线路上的高电压相比，可以单独地且独立地选择储存电压。因此，这种经由DC-DC转换器的解耦有利于储存装置的稳定放电和充电，即在DC-DC转换器的输入侧上可以对充电进行调节并具有适当的充电电压。蓄电池是能量储存单元的部件并集成到其中。除了蓄电池之外，能量储存单元还可以包括本质上不是基于电池的其它类型的储存装置。然后，通过能量储存系统可以将储存的能量有利地转换为电能，并且还可以经由蓄电池放电或充电。

在设备网络的另一个有利的实施例中，储存单元包括蓄电池，其中蓄电池连接到双向DC-DC转换器的输入。

经由DC-DC转换器连接到中央供应线路的电池蓄电系统(BESS)是优选的解决方案，因为电池的充电和放电可以以可靠且受控的方式进行。此外，基于电池的储存单元(如基于锂离子的电池)是可靠的、可大规模商业获得的单元。此外，它们可以进行许多次的充电和放电循环，并且在需要时还可以快速且高性能地放电。在该有利的实施例中，作为储存单元的一部分的蓄电池直接连接到双向DC-DC转换器的DC输入。

可代替地，镍镉基电池也可以用作电池蓄电装置，但是镍镉电池具有较低的比能，这对于靠近风力涡轮机或集成到风力涡轮机中的安装需要更大的体积。

可替代地或与BESS系统结合，还可以有利地使用具有氢气储存装置的燃料电池，特别是当氢作为电解器的产物已经可以在设备网络中获得时。

在设备网络的另一个有利的实施例中提供了控制装置，通过该控制装置，可以控制能量储存系统储存和释放电能。

控制装置将风力涡轮机的当前或预测的馈入功率、电解设备的当前或预测的功率需求以及能量储存系统的当前充电状态作为输入变量考虑在内。因此，根据需要，可以通过利用控制信号相应地控制双向DC-DC转换器来对能量储存系统充电或放电。现有的不同DC电压电平可以由控制装置控制、单独调节和监测，并且所连接的功率电子器件可以对应地适配相应的DC电压，这带来了特别的优点。

在设备网络的另一个有利的实施例中，电解设备经由连接线路连接到中央供应线路，其中在连接线路中安装DC-DC转换器，其输入电压对应于中央供应线路中的高电压，并且其输出电压对应于电解设备的操作电压。

通过这种设计，DC电压电平以及因此通过连接线路供应的操作所连接的电解系统的电解功率可以被单独调节，并且可以对应地在DC-DC转换器或“DC斩波器”的输出处提供。由于DC-DC转换器优选地是可控的，因此可以经由控制装置以受控的方式实现这种单独的适配。

此外，在设备网络的另一个有利的实施例中，DC-DC转换器被设计为可调节降压转换器，使得为电解设备供应电解电流是可适配的和可调节的，该电解电流接收自中央供应线路中的功率供应源的波动馈入功率。

利用降压转换器的可控性，可以经由连接线路灵活地为电解设备供应用于电解的直流电流，并且可以实现电解性能方面的适配。降压转换器是连续操作还是间隔操作取决于电感、切换频率、输入电压、输出电压和所提供的输出电流。因为这些参数可能在某些情况下会快速改变，所以在设计电路时，特别是在设计DC-DC转换器中的控制器时，通常必须考虑两种操作模式之间的转换。这两种操作模式在控制特性(即输出电压对脉冲占空因数的依赖性)以及辐射干扰方面是不同的。

在设备网络的特别有利的实施例中，DC-DC转换器被设计为可控降压转换器，该可控降压转换器可以在非间隔操作下通过脉冲宽度调制方法对输出电压进行调节。以此方式，可以实现降压转换器的连续操作以及供应到电解设备的电解电流的可控性。

在设备网络的另一个有利的实施例中，DC-DC转换器由中间变压器形成，逆变器在初级侧连接到中间变压器，整流器在次级侧连接到中间变压器，使得直流电流可以在给定的操作电压下被供应到电解设备，其中形成了AC中间电路。

此处的AC中间电路的优点是隔离初级线圈和次级线圈，并且可以达到更高的电压比。而且，此处的该中间电路的AC频率可以高于电网频率，并且达到甚至kHz。这可以显著地减小无源元件(变压器、电容器、电感器)的尺寸。

通过设备网络中的DC-DC转换器的这种非常有利的设计，提供AC中间电路以将电解设备连接到中央供应线路。

在DC-DC转换器中，逆变器将来自外部DC功率供应源的DC电压转换成耦合到初级侧的中间变压器的AC电压。在中间变压器的次级侧上连接整流器，其确保以用于电解的期望的和预定的电压或电流水平再转换成DC电压。因此，DC-DC转换器特别有利地设计有AC中间电路，并且被设计成由外部直流电流源提供直流电流，以为电解设备的电解器供应电解电流。这通过将输入直接耦合或直接连接到外部DC功率源来实现。作为外部直流电流源，优选地，风力涡轮机设备或光伏系统可以有利地连接到电解设备，其中之一可以有利地以所谓的孤岛操作且独立于电网地被设计成分别用于离岸应用和岸上应用两者。

外部DC功率源可以经由DC-DC转换器的输入与AC中间电路布置直接连接，从而实现向电解器供应DC功率。由于经由AC中间电路的电隔离和解耦，该电路布置可靠地避免了高频杂散电流的破坏性干扰，并且因此避免了电解器中的接地故障电流和不希望的电压损耗。同时，可以实现电解设备与可再生能源生产设备(优选为风力涡轮机)的简单且可靠的直接连接，并且可以离网操作。此外，由于AC中间电路，可以有利地对发电侧上的电压或电流水平的改变实现特别好且灵活的适配。

出于另一个原因，在DC-DC连接中通过该概念的电隔离是优选的，特别是在包括碱性电解器的电解设备中，该碱性电解器在碱性电解的基础上操作。电隔离有利地减少了电解中的接地电流和杂散电流。其原因是接地回路不能闭合。由于电隔离，电流回路有利地被大地断开。

优选地，AC中间电路中的中间变压器的次级侧不接地。这种设计不仅提供了对功率源的连接电缆上的高频信号分量的有效保护，而且还显著地降低并抑制了DC杂散电流，因为其又提供了闭合的接地回路。

在本发明的设备网络中，作为电气部件，若干逆变器系统、变压器系统或整流器系统可以以输入串联输出并联(ISOP)或输入并联输出并联(IPOP)的配置方式并联和/或串联地布置，以实现电流共享和电压叠加。

DC-DC转换器的输入侧上的电压优选地被选择为高于电解操作所需的电压。这降低了损耗或减少了铜或铝电缆所需的横截面积，这节省了成本并且还克服了较大的线路距离，例如，从大约几百米高的风力涡轮机的塔体向下到电解设备的线路距离。

在设备网络的有利的实施例中，整流器是可调节的和/或被设计为三相整流器，特别是被设计为B6桥式整流器。

优选地，在不应用B6桥式整流器的情况下，风力涡轮发电机需要由整流器控制。在这种情况下，整流器被设计成用于双向操作，这对于B6桥式整流器而言是不可能的。因此，优选地，有源整流器与双向操作的有源控制开关一起应用。

整流器(有利地设计为三相调节器或B6桥式整流器)的可控性使得可以调节由整流器产生的总电流，并且因此，例如可以控制(优选地经由控制装置)连接到DC-DC转换器的电解器的操作。

这些可控转换器优选地被实现为电压源转换器(VSC)，其还集成了电流回路控制。

有利地，在设备网络中，DC-DC转换器中的AC中间电路的交流频率可以被调节到预定值。

通过为DC-DC转换器配备AC中间电路，它不必连接到公共网络，并且因此在变压器的交流频率的选择上有很大程度的自由度。有利地，此处提供了高频变压器，使得可以偏离公共网络中的通常频率。

在设备网络的另一个有利的实施例中，DC-DC转换器被设计成用于AC中间电路中的交流频率，该交流频率高于公共电网的50Hz至60Hz的通常市电频率。此处使用更高的频率是有意义的，因为这可以减小中间变压器的尺寸和重量以及材料的使用。该方面对于电解设备直接连接到风力涡轮机是特别有利的。由于在高操作频率下的更紧凑的设计和更低的重量，变压器可以容纳在例如风力涡轮机的机舱中或风力涡轮机的塔体的底部中。DC-DC转换器整体上也可以布置在那里。因此，具有电解器的电解设备可以例如安装在风力涡轮机的紧邻区域，使得用于连接的电缆路径可以很短。

在特别有利的实施例中，电路布置被设计成用于500Hz至50kHz(特别是从10kHz至30kHz)的交流频率。该频率与连接到中间变压器的逆变器和整流器的频率有关。为了开发安装空间的优势以及成本的优势，提供高频变压器作为中间变压器。

此外，在设备网络的有利的实施例中，风力涡轮机包括发电机，该发电机的输出连接到整流器的AC电压输入。这意味着整流器由风力涡轮机的发电机直接馈电。

发电机优选地被设计为具有永磁激励的三相同步电机。在永磁激励同步电机(PSM)的所述设计中，转子可以带有用于激励的永磁体。这变得越来越重要。另一方面，混合同步电机(HSM)结合了电磁磁阻的作用和永磁体对形成扭矩的作用。发电机由风力涡轮机的转子驱动，并且优选地提供三相电流，即三相交流电流，其在所连接的整流器中被转换为直流电流，并且以特定的DC高电压电平馈送到中央供应线路中。

本发明的另一个目的是提出一种用于操作这种设备网络的方法。根据本发明，通过一种用于操作设备网络的方法来实现方法的目的，其中，在充电阶段，来自中央供应线路的电能被储存在能量储存系统中，并且在放电阶段，电能从能量储存系统释放并馈送到中央供应线路中。

在该方法的有利的实施例中，设备网络在离网孤岛操作下操作。

这使得能够自给自足且完全离网地操作，这特别适用于离岸和岸上的应用。在该过程中，实现了能量储存系统(特别是电池)的独立于电网的充电和放电。

设备网络的以上详细描述的优点同样适用于操作这种设备网络的方法。

附图说明

在以下的示例及其变型的描述中，将结合附图更详细地解释以上描述的本发明的特性、特征和优点以及实现它们的方式。示例和对应的变型用于解释本发明，而不是将本发明限制为其中所示的特征的组合，甚至是功能性特征。此外，在下面的示例中公开的任何特征可以被单独地考虑以及适当地与任何上述实施例的特征及其另外的方面组合。

在其中示出了：

图1是具有电解设备的设备网络，该电解设备经由中央DC功率供应线路连接到风力发电设备；

图2是本发明的具有设备网络的另一个示例，其中电解设备经由AC中间电路连接到风力发电设备；

图3是本发明的另一个示例，其示出了具有多个电解设备的设备网络，该多个电解设备连接到风力发电设备，并且可选地连接到公共电网供电装置。

相同的附图标记在附图中具有相同的含义。

具体实施方式

图1示出了专门设计成用于孤岛模式操作的设备网络100的示例的示意图。设备网络100包括具有电解器15的电解设备1、具有DC电压输出7的功率供应源3和中央供应线路5。中央供应线路5连接到功率供应源3的DC电压输出7，使得直流电流可以被馈送到中央供应线路5中，并且提供被设计成用于高电压的中央DC网络，电解设备1经由中央供应线路5连接到中央DC网络。功率供应源3包括作为发电机的风力涡轮机19，具有DC电压输出7的整流器13A连接到风力涡轮机19。风力涡轮机19具有带转子的涡轮机45以及发电机39。发电机39被设计为具有永磁激励的三相同步电机。发电机39的输出经由三相电流连接47连接到整流器13A的AC电压输入41。整流器13A的DC电压输出7被设计为用于高电压。可控能量储存系统17连接到中央供应线路5，其被设计成使得直流电流可以根据需要通过能量储存系统17馈送到中央供应线路5中，或者可以从中央供应线路5分流和提取并馈送到能量储存系统17中。能量储存系统17包括储存单元21和双向DC-DC转换器29，使得电流可以根据需要以相应的DC电压电平双向地通过DC-DC转换器。根据充电和放电条件以及储存装置21已经经历的循环来确定一个电压电平。该第一电压电平主要取决于电池状态和操作条件，并且因此可能在寿命周期中变化(电池电压)。另一个DC电压是在中央供应线路5上提供的DC高电压(DC总线高电压)。DC总线上的DC电压电平可能根据从发电机39提供的发电量(来源于涡轮机45的波动能量生产)而变化。最后，另一个DC电压是要供应到电解设备1的电解器15的操作DC电压，该操作DC电压尤其可能根据电解器15的负载而变化(操作电压)。

电解设备1的电解器15经由连接线路9连接到中央供应线路5。在连接线路9中安装了DC-DC转换器11(“DC斩波器”)，DC-DC转换器11的输入电压对应于中央供应线路5中的高电压。因此，DC-DC转换器的输出电压对应于电解设备1中的电解器15的操作电压。

DC-DC转换器11被设计为可调节降压转换器。因此，为电解设备1供应用于操作电解器15的电解电流是可以经由DC-DC转换器11来适配和调节的，该电解电流接收自功率供应源3在中央供应线路5中的波动馈入功率。为实现该目的，例如，DC-DC转换器11被配置为可控降压转换器11，其在无间隔操作下通过脉冲宽度调制方法对输出电压进行调节。

这些措施通过减少功率波动和停机次数而允许能量储存单元21独立且解耦地连接和操作，以确保电解器15的更好且平稳的操作。这还允许在发电机39侧使用整流器13A，发电机39的设计与当今的风力涡轮机19的设计接近或相同，这节省了成本。将能量储存系统17连接到电压稳定的DC供应系统的一部分允许更好地对所涉及的转换器单元进行功率的控制和协调。功率输入和输出可以由控制装置31控制不同的DC电压来协调。如果电池在DC电压随着能量生产量而改变的DC系统中并联连接到整流器，则这是不可能的。在本发明的设备网络的设计中可以避免这一问题。另一个优点是可以完全离网地生产氢。这允许避免高成本地电连接到海岸，并且通过减少转换步骤的数量而显著地提高效率。

在图2中，示出了具有进一步改进的操作行为的设备网络100。这是具有设备网络100的本发明的示例，其中电解设备1经由AC中间电路连接到风力设备19。为了最有效地且以合理的成本在连接中实现AC中间电路，经由中间变压器37形成DC-DC转换，逆变器33在初级侧连接到中间变压器37。整流器35连接在中间变压器的次级侧上，使得直流电流可以在给定的操作电压下供应到电解设备1的电解器15。整流器35是可调节的，并且被设计为三相整流器，特别是被设计为B6桥式整流器。利用AC中间电路的这种配置实现了有利的电隔离，其实现了许多优点。

在图1的实施例(未在图1中详细示出)中，也可以与图2中类似地应用中间变压器37，并且中间变压器37已经被结合在DC-DC转换器11中。利用这种构造，实现了与图2中类似的电隔离和解耦，这减少了设备网络100中的杂散电流，该杂散电流可能危害电解器15的操作，尤其是使电解单元更快地劣化。因此，可以将AC中间电路的交流电流频率调节到预定值，其提供了进一步节约成本的机会和选择电气部件的灵活性。由于由中间变压器37激活的AC中间电路，已经结合AC中间电路的DC-DC转换器11(见图1)可以被理解为用于AC中间电路中的交流电流频率，该交流电流频率大于公共电网的50Hz至60Hz的通常市电频率。

在图3中，示意性地示出了另一个示例，该示例示出了具有形成电解系统1的多个电解设备1A、1B的设备网络100，电解系统1连接到风力设备19，并且其中，还可以在设备网络中连接到公共电网25作为额外供电选项。

设备网络100包括具有两个电解设备1A、1B的电解系统1和连接到电解系统1的功率供应源3。功率供应源3具有作为发电机的风力涡轮机19，其用作可再生能源设备(RES设备)和绿色电力的来源。经由中央供应线路5实现为电解系统1供应电解电流，中央供应线路5分别加载有DC电压和DC电流，因此中央DC总线由中央供应线路5形成，通过中央供应线路5可以直接为电解系统1供应用于电解过程的直流电流。

电解系统1的电解设备1A、1B中的每一者经由相应的连接线路9A、9B连接到供电连接23A、23B，连接到中央供应线路5，从而实现电解系统1A、1B的并联连接。电解设备1A具有至少一个电解器15A，并且电解设备1B具有至少一个电解器15B。电解器15A、15B可以可选地被设计为PEM电解器、AEM电解器(AEM：阴离子交换膜)或碱性电解器，并且它们的组合也是可能的。更多个电解器15A、15B可以在相应的电解设备1A、1B中串联或并联连接，以经由对应的连接线路9A、9B被供电。

在功率供应源3侧，风力涡轮机19经由风力涡轮机19的发电机(未详细示出)连接到整流器13A，整流器13A具有DC电压输出7。因此，由风力涡轮机19的发电机产生的交流电流可以经由整流器13A在DC电压输出7处以特定高电压的直流电流馈送到中央供应线路5中。因此，实现了为高DC电压设计的中央DC网络。为了耦合由风力涡轮机19产生的电功率并将功率馈送到中央供应线路5中，当将风力涡轮机19连接到中央供应线路5时，不再需要其他有源部件(例如额外的变压器等)，从而在设备网络100中实现特别简单的供电拓扑结构。

整流器13A的DC电压输出7处的DC电压电平可以灵活地适配设备网络100中的相应要求，其中高输出电压被选择为特定的高电压，其优选地大于1.5kV。在此，例如，在通过中央供应线路5的中央DC网络的设计中，原则上可以应用在电力传输工业标准中常用的电网电平的标称电压，或者这些值可以用作优选的DC电压电平的指示。在此，电能以中电压和高电压的不同电网电平传输到高压线路，该中电压和高电压具有以下通常标称电压：中电压为3kV、6kV、10kV、15kV、20kV、30kV，高电压为60kV、110kV。中央供应线路5非常有利地用作中央DC总线，该中央DC总线直接实现电解系统1和所连接的电解设备1A、1B的基于高电压的直流电流供应。

将电解设备1A、1B连接并且DC供电调节到操作电压，对应地，降压DC-DC转换器11A连接到连接线路9A，并且降压DC-DC转换器11B连接到连接线路9B。降压DC-DC转换器11A的输入连接到供电连接23A，并且类似地，降压DC-DC转换器11B的输入经由供电连接23B连接到中央供应线路5。在输出侧，降压DC-DC转换器11A、11B各自通过连接线路9A、9B连接到相应的电解器15A、15B，使得能够以操作电压所需的可调节电压电平为电解器15A、15B中的电解提供相应的直流电流。在设备网络100的操作中，在作为中央DC网络的中央供应线路5上提供高电压直流电流，并且该高电压直流电流用于为以并联方式连接到中央供应线路5的电解设备1A、1B供应电解电流。可以特别灵活地设计或扩展设备网络100，例如通过经由连接线路9A、9B连接包括其他电解器15A、15B的其他电解设备1A、1B。有利地，对于设备网络100，独立于电网的独立操作在孤岛模式操作中是可能的。

连接到连接线路9A、9B的降压DC-DC转换器11A、11B用作DC/DC转换器，并且各自被设计成使得它们的输入电压对应于在中央供应线路5上的中央DC网络中所需的特定高电压，并且它们相应的输出电压被单独地适配或调节为电解设备1A、1B的相应的操作电压。降压转换器11A、11B被设计为可控降压转换器，使得为电解系统1A、1B供应电解电流可以被适配或追踪，该电解电流来自功率供应源3在中央供应线路5中的波动馈入功率。降压转换器11A、11B可以被设计为例如可调节降压转换器，在非间隔操作模式下通过脉冲宽度调制方法调节输出电压，这使得能够以选定的性能连续操作。为了控制网络设备100中的有源部件，集成了控制装置31。

在图3中所示的设备网络100中，例如，电解设备1A、1B还可以布置在相应的风力涡轮机19的塔体底部，并且在塔体底部直接连接到中央供应线路5。这对于偏远地区的风力涡轮机19的岸上应用和安装以及对于孤岛模式下的独立电网操作是有利的。风力涡轮机19还指具有各种风力涡轮机19的风电场或者岸上或离岸风电场。

如已经在图1和图2中详细描述的，对于孤岛模式下的连续操作，图3的设备网络100还包括可控能量储存系统17，可控能量储存系统17包括储存单元和双向DC-DC转换器29。在操作期间，能量储存系统17的放电和充电模式由控制装置31控制。除了储存控制之外，控制装置31被设计并配备有进一步的控制功能，如设备网络100中的有源部件。特别地，借助于控制装置31，直流电流可以根据需要通过能量储存系统17馈送到中央供应线路5中，或者可以从中央供应线路5释放并馈送到能量储存系统中。来自风力涡轮机19的波动可以被充分地平滑，以改善氢生产的条件并保持电解器15A、15B的操作稳定。对于例如额定功率为3MW至5MW的典型的大型风力涡轮机19而言，能量储存系统17配备有具有足够高的容量的电池，该容量高于约1.0MWh，优选为大约5.0MWh至25MWh。尤其考虑到预估的局部风力条件、风力涡轮机19的额定功率、风力涡轮机19的可用性以及总获得因数，可以预先适配并设计容量。还可能的是(最有可能的是)，优选地在电池将仅仅处理和补偿风能的大的功率梯度并主要不在电池中储存太多能量的情况下，电池还可以具有比以上指出的容量更低的容量。因此，在能量储存系统17中，如果需要，与氢储存容器联接的燃料电池还可以与电池储存装置并行地或可替代地使用，用于在更长的时间内输送能量。对于能量储存系统17而言，这将是提供高灵活性的有利的组合解决方案。

根据图3的实施例，在设备网络100中的功率供应源3侧上，还可以连接到公共电网25。为了实现这一目的，如图3中虚线所示，在中央供应线路5中提供单独的供电连接23C。经由连接变压器27和具有DC电压输出7的下游整流器13B实现与公共电网25的连接。整流器13B以这种方式来设计，即，它的DC电压输出7被设计成用于中央供应线路5中的所需高电压，并且在对应的电压电平(即可选地，3kV、6kV、10kV、15kV、20kV、30kV的中电压电平或者60kV或110kV的高电压)下被提供特定的高电压。电压电平可以灵活地适配和改变。此外，当使用供电连接23C作为电网连接时，双向操作是可能的，使得直流电流可以从公共电网25以需求驱动地馈送到中央供应线路5中，以及可以从中央供应线路5的DC网络供应直流电流。该实施例中的另一个有趣且有利的操作是，例如在支持电网的情况下，如果需要的话，使用能量储存系统17为公共电网馈电一定的时间。还示出了与能量储存系统17的连接，该连接可以由可控切换装置43激活，使得整流器13B的DC电压输出7处的直流电流可以容易地在相同的电压电平下供应到双向DC-DC转换器29，以在需要的情况下负载储存装置。

因此，除了负载储存装置21之外，根据需要，来自公共电网25的电力还可以在供电连接23C以电压适配的方式直接馈送到中央供应线路5中，并且被提供用于电解设备1A、1B的电解目的。此处的特别的优点是，通过提供与公共电网25的连接，例如，如果风力涡轮机19由于维护而不发电、或仅在非常有限的程度上发电、或处于较长且持续的无风环境，其可以满足替代需求，使得除了储存装置之外还提供了另一种第二备用解决方案，以便确保用于氢生产的电解设备1A、1B的最连续的供应和稳定的操作。然而，能量储存系统21主要用于对波动和停机进行平滑处理(无论是否使用公共电网25)，或者用于没有来自公共电网25的备用供应的纯孤岛模式部署中。

如有必要，即使在中央供应线路5上的DC电功率供应不足的情况下，一个或多个电解器15A、15B仍可以在部分负载下操作，或者从DC电网解列。通过可调节降压DC-DC转换器11A、11B，根据需要在相应的连接线路9A、9B中实现适配的部分负载运行，借助于此，直流电流功率以及降压DC-DC转换器11A、11B的输出处的输出电压在每种情况下都是可调节的。在设备网络100的纯独立系统操作中，由于缺乏与公共电网25的可用连接的选择，通常没有替代需求。因此，可控能量储存系统17在图3所示的安装中也是非常有利的，以便在短期波动期间保持较高且平滑的氢生产水平，以及过渡较长的中断。

以上示出的设备网络100的所有示例使得在设备网络100的操作期间，在充电阶段，来自中央供应线路5的电能被储存在能量储存系统17的储存单元21中，并且在放电阶段，电能从储存单元21释放并馈送到中央供应线路5中。设备网络100被理解为在完全离网的孤岛操作中随时可用。另外的优点是可以完全离网地生产氢。这允许避免额外高成本地电连接到海岸，并且通过减少转换步骤的数量而显著地提高效率。

Claims (15)

1.一种设备网络(100)，所述设备网络(100)包括电解设备(1、1A、1B)、具有DC电压输出(7)的功率供应源(3)以及中央供应线路(5)，其中，所述中央供应线路(5)连接到所述功率供应源(3)的所述DC电压输出(7)，使得直流电流能够馈送到所述中央供应线路(5)中，并且设置有被设计用于高电压的中央DC网络，所述电解设备(1、1A、1B)经由所述中央供应线路(5)连接到所述中央DC网络，其中，作为发电机的所述功率供应源(3)包括风力涡轮机(19)，具有DC电压输出(7)的整流器(13A)连接到所述风力涡轮机(19)，其中，所述DC电压输出(7)被设计用于高电压，并且其中，可控能量储存系统(17)连接到所述中央供应线路(5)，所述可控能量储存系统(17)被设计成使得直流电流能够根据需要通过所述能量储存系统(17)馈送到所述中央供应线路(5)中，或者能够从所述中央供应线路(5)释放并馈送到所述能量储存系统(17)中，并且其中，提供了DC供电网络，所述DC供电网络使得能够独立地施加和控制三种不同的DC电压电平，其中第一DC电压作为用于对所述能量储存系统(17)的蓄电池进行充电和放电的蓄电池电压提供，其中第二DC电压作为所述中央供应线路(5)上的DC总线高电压提供，并且其中第三DC电压作为所述电解设备(1)的DC操作电压提供。

2.根据权利要求1所述的设备网络(100)，其中，所述能量储存系统(17)具有储存单元(21)和双向DC-DC转换器(29)，所述储存单元(21)包括蓄电池，所述双向DC-DC转换器(29)连接到所述储存单元(21)，所述双向DC-DC转换器(29)的DC电压输出(7)被设计用于高电压。

3.根据权利要求2所述的设备网络(100)，其中，所述储存单元(21)包括蓄电池，其中，所述蓄电池连接到所述双向DC-DC转换器(29)的输入。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备网络(100)，其中，设置有控制装置(31)，通过所述控制装置(31)能够控制所述能量储存系统(17)用于储存和释放电能。

5.根据前述权利要求中任一项所述的设备网络(100)，其中，所述电解设备(1、1A、1B)经由连接线路(9、9A、9B)连接到所述中央供应线路(5)，其中，DC-DC转换器(11、11A、11B)安装在所述连接线路(9、9A、9B)中，所述DC-DC转换器(11、11A、11B)的输入电压对应于所述中央供应线路(5)中的高电压，并且所述DC-DC转换器(11、11A、11B)的输出电压对应于所述电解设备(1、1A、1B)的操作电压。

6.根据权利要求5所述的设备网络(100)，其中，所述DC-DC转换器(11、11A、11B)被设计为可调节降压转换器，使得为所述电解设备(1、1A、1B)供应电解电流是可适配的和可调节的，所述电解电流接收自所述中央供应线路(5)中的所述功率供应源(3)的波动馈入功率。

7.根据权利要求6所述的设备网络(100)，其中，所述DC-DC转换器(11、11A、11B)被设计为可控降压转换器，所述可控降压转换器能够在非间隔操作下通过脉冲宽度调制方法对输出电压进行调节。

8.根据权利要求5所述的设备网络(100)，其中，所述DC-DC转换器(11)由中间变压器(37)形成，逆变器(33)在初级侧连接到所述中间变压器(37)，并且整流器(35)在次级侧连接到所述中间变压器(37)，使得直流电流能够在给定的操作电压下供应到所述电解设备(1、1A、1B)，其中，形成AC中间电路。

9.根据权利要求8所述的设备网络(100)，其中，所述整流器(35)是可调节的和/或被设计为三相整流器，特别是被设计为B6桥式整流器。

10.根据权利要求8或9所述的设备网络(100)，其中，在所述DC转换器(11)中，所述AC中间电路的交流频率能够调节到预定值。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的设备网络(100)，其中，所述DC-DC转换器(11)被设计用于所述AC中间电路中的交流频率，所述交流频率高于公共电网(25)的50Hz至60Hz的通常市电频率。

12.根据前述权利要求中任一项所述的设备网络(100)，其中，所述风力涡轮机(19)包括发电机(39)，所述发电机(39)的输出连接到所述整流器(13A)的AC电压输入(41)。

13.根据权利要求12所述的设备网络(100)，具有发电机(39)，所述发电机(39)被设计为具有永磁激励的三相同步电机。

14.用于操作根据前述权利要求中任一项所述的设备网络(100)的方法，其中，在充电阶段，来自所述中央供应线路(5)的电能被储存在所述能量储存系统(17)中，并且在放电阶段，电能被释放并馈送到所述中央供应线路(5)中。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述设备网络(100)在离网孤岛操作下操作。