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DE102024203420A1 - Method for supplying a consumer, in particular an electrolyzer, and a device for carrying out the method - Google Patents

Method for supplying a consumer, in particular an electrolyzer, and a device for carrying out the method

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Publication number
DE102024203420A1
DE102024203420A1 DE102024203420.7A DE102024203420A DE102024203420A1 DE 102024203420 A1 DE102024203420 A1 DE 102024203420A1 DE 102024203420 A DE102024203420 A DE 102024203420A DE 102024203420 A1 DE102024203420 A1 DE 102024203420A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
voltage
converter
rectifier
regulator
stage operation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102024203420.7A
Other languages
German (de)
Inventor
Christian FREITAG
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Publication of DE102024203420A1 publication Critical patent/DE102024203420A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Versorgung zumindest eines Verbrauchers (40), insbesondere eines Elektrolyseurs, mit einer Gleichspannung, umfassend zumindest einen Gleichrichter (16) und zumindest einen Wandler (30), wobei in einem einstufigen Betrieb (21) der Wandler (30) parallel zu dem Gleichrichter (16) betrieben wird, so dass der Wandler (30) als Gleichrichter (30) verwendet wird, um die von einer Leistungsquelle (12) bereitgestellte Wechselspannung in eine Gleichspannung zu wandeln, wobei in einem zweistufigen Betrieb (23) der Wandler (30) als ein dem Gleichrichter (16) nachgeschalteter Gleichspannungswandler (30) betrieben wird, zur Versorgung des Verbrauchers (40) mit einer Spannung (U), wobei eine Regelung (49) den Gleichrichter (16) ansteuert. The invention relates to a method and a device for supplying at least one consumer (40), in particular an electrolyzer, with a direct voltage, comprising at least one rectifier (16) and at least one converter (30), wherein in a single-stage operation (21) the converter (30) is operated in parallel with the rectifier (16) so that the converter (30) is used as a rectifier (30) to convert the alternating voltage provided by a power source (12) into a direct voltage, wherein in a two-stage operation (23) the converter (30) is operated as a direct-voltage converter (30) connected downstream of the rectifier (16) to supply the consumer (40) with a voltage (U), wherein a controller (49) controls the rectifier (16).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere eines Elektrolyseurs, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a method for supplying a consumer, in particular an electrolyzer, and to a device for carrying out the method according to the preamble of the independent claims.

Stand der TechnikState of the art

Aus der EP 3752665 B1 sind eine Schaltungsanordnung, ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung sowie eine Elektrolyseeinrichtung bekannt. Zur Gleichstromversorgung mehrerer parallel geschalteter Elektrolyseure umfasst die Schaltungsanordnung einen Gleichrichter, welcher eine eingangsseitige Wechselspannung in eine ausgangsseitige erste Gleichspannung wandelt, wobei jeder Elektrolyseur jeweils über einen die erste Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung wandelnden Abwärtswandler derart parallel zum Ausgang des Gleichrichters geschaltet ist, dass die zweite Gleichspannung über dem Elektrolyseur abfällt, wobei jeder der Abwärtswandler zur Anpassung einer Höhe seiner zweiten Gleichspannung steuerbar und/oder regelbar ausgebildet ist. Die Schaltungsanordnung umfasst mehrere Schalter, wobei jeder Abwärtswandler durch jeweils einen Schalter überbrückbar ist.From the EP 3752665 B1 A circuit arrangement, a method for operating a circuit arrangement, and an electrolysis device are known. For supplying direct current to a plurality of electrolyzers connected in parallel, the circuit arrangement comprises a rectifier which converts an input-side alternating voltage into a first output-side direct voltage, wherein each electrolyzer is connected in parallel to the output of the rectifier via a step-down converter which converts the first direct voltage into a second direct voltage in such a way that the second direct voltage drops across the electrolyzer, wherein each of the step-down converters is designed to be controllable and/or regulatable for adjusting the level of its second direct voltage. The circuit arrangement comprises a plurality of switches, wherein each step-down converter can be bridged by a respective switch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sichere zuverlässige Anpassung an unterschiedliche Leistungsanforderungen vorzunehmen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.The invention is based on the object of providing safe, reliable adaptation to different performance requirements. This object is achieved by the features of the independent claims.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine sichere und zuverlässige Anpassung an Leistungsänderungen erfolgen kann. Die Regelung stellt sicher, dass während des Umschaltvorgangs ein unerwünschtes Verhalten der Regelgröße wie beispielsweise Sprünge oder Einschwingen verhindert werden. Besonders zweckmäßig ist hierbei die Regelung als dreifach kaskadierte Regelung ausgebildet.The method according to the features of independent claim 1 has the advantage that safe and reliable adaptation to power changes can be achieved. The control ensures that undesirable behavior of the controlled variable, such as jumps or transients, is prevented during the switching process. Particularly expedient in this case, the control is designed as a triple cascaded control.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Regelung zumindest einen Stromregler und/oder einen Spannungsregler und/oder zumindest einen Phasenstromregler umfasst. Hierbei ist besonders zweckmäßig vorgesehen, dass in dem einstufigen Betrieb der Stromregler, der Spannungsregler und der Phasenstromregler aktiv sind, während in einem zweistufigen Betrieb lediglich der Spannungsregler und der Phasenstromregler aktiv sind. Damit lässt sich besonders eine flexible Anpassung an die unterschiedlichen Betriebszustände je nach Bedarf vornehmen.In a suitable further development, the control system comprises at least one current regulator and/or one voltage regulator and/or at least one phase current regulator. It is particularly advantageous that the current regulator, the voltage regulator, and the phase current regulator are active in single-stage operation, while only the voltage regulator and the phase current regulator are active in two-stage operation. This allows for particularly flexible adaptation to different operating states as required.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass bei einem Wechsel von dem zweistufigen Betrieb in den einstufigen Betrieb ein Integrator des Stromreglers zurückgesetzt wird. Damit lässt sich ein so genannter Windup verhindern.A practical development provides for an integrator of the current controller to be reset when switching from two-stage operation to single-stage operation. This prevents a so-called windup.

Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.Further useful developments arise from further dependent claims and from the description.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

Es zeigen:

  • 1 ein Prinzipschaltbild der Schaltungsanordnung,
  • 2 eine konkrete Schaltungsanordnung des in 1 gezeigten Prinzips,
  • 3 die Schaltungsanordnung gemäß 2 in einem zweistufigen Betrieb,
  • 4 die Schaltungsanordnung gemäß 2 in einem einstufigen Betrieb, bei dem der Wandler als Gleichrichter, der parallel zu dem Gleichrichter geschaltet ist, betrieben wird, sowie 5 ein Regelkonzept.
They show:
  • 1 a schematic diagram of the circuit arrangement,
  • 2 a concrete circuit arrangement of the 1 principle shown,
  • 3 the circuit arrangement according to 2 in a two-stage operation,
  • 4 the circuit arrangement according to 2 in a single-stage operation in which the converter is operated as a rectifier connected in parallel to the rectifier, and 5 a rule concept.

Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of the invention

Die Erfindung ist anhand mehrerer Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically using several embodiments and is described in detail below with reference to the drawing.

1 zeigt schematisch den Aufbau der Schaltungsanordnung. Die obere Anordnung ist als zweistufige Einheit für einen zweistufigen Betrieb 23 vorgesehen. Über Spulen 14, die einen Hochsetzstellerbetrieb ermöglichen, wird ein Gleichrichter 16 von einer einen Wechselstrom zur Verfügung stellenden Leistungsquelle 12 wie ein Netzanschluss versorgt. Die von dem Gleichrichter 16 gleichgerichtete Wechselspannung gelangt über einen Zwischenkreis 26 an einen Wandler 30, der im zweistufigen Betrieb 23 als Gleichspannungswandler betrieben wird. Über die weiteren Spulen 38 sowie eine gemeinsame Ausgangsspule 46 wird der Verbraucher 40, insbesondere Elektrolyseur, mit Gleichspannung versorgt. 1 shows a schematic of the circuit arrangement. The upper arrangement is designed as a two-stage unit for two-stage operation 23. A rectifier 16 is supplied from a power source 12 providing alternating current via coils 14, which enable boost converter operation, like a mains connection. The alternating voltage rectified by the rectifier 16 is fed via an intermediate circuit 26 to a converter 30, which operates as a DC-DC converter in two-stage operation 23. The load 40, in particular the electrolyzer, is supplied with DC voltage via the additional coils 38 and a common output coil 46.

Die untere Anordnung zeigt die zweistufige Einheit, die im einstufigen Betrieb 21 betrieben wird. Der Wandler 30 wird nun über die weiteren Spulen 38 als Gleichrichter bzw. AC/DC-Wandler, parallel zu dem Gleichrichter 16 verschaltet, betrieben. Anschließend gelangt die Gleichspannung über den Zwischenkreis 26 und die gemeinsame Ausgangsspule 46 an den Verbraucher 40, insbesondere Elektrolyseur, zu dessen Versorgung. Der mögliche Spannungsbereich in dieser Ausführung liegt beispielsweise zwischen 620 und 800 V. der Grenzwert von 620 V ergibt sich für ein 3-Phasen-Stromnetz mit einer Nominalspannung von 400 V zwischen den Phasen und einer erlaubten Überspannung von 10 %. Zugrundeliegend ist ebenfalls die Betrachtung, dass der Gleichrichter 16 immer zumindest eine passive Gleichrichtung durchführt, die nicht unterschritten werden kann.The lower arrangement shows the two-stage unit, which is operated in single-stage mode 21. The converter 30 is now operated via the additional coils 38 as a rectifier or AC/DC converter, connected in parallel to the rectifier 16. The DC voltage then reaches the consumer 40, in particular electrical equipment, via the intermediate circuit 26 and the common output coil 46. lyser, for its supply. The possible voltage range in this design, for example, is between 620 and 800 V. The limit of 620 V results from a three-phase power grid with a nominal voltage of 400 V between the phases and a permissible overvoltage of 10%. This is also based on the consideration that the rectifier 16 always performs at least passive rectification, which cannot be undercut.

Der Spannungsbereich wie auch in 1 angedeutet ist für die zweistufige Einheit 56 deutlich größer, sodass eine Teillast bis zu 20 % möglich ist. Der 1 ist eine grobe Darstellung des einstufigen Betriebs 21 und des zweistufigen Betriebs 23 mit den zugehörigen Ausgangsspannungen U zu entnehmen.The voltage range as in 1 indicated is significantly larger for the two-stage unit 56, so that a partial load of up to 20% is possible. 1 A rough representation of the single-stage operation 21 and the two-stage operation 23 with the corresponding output voltages U can be seen.

Bei dem Verbraucher 40 handelt es sich beispielsweise um einen Elektrolyseur. Ein Elektrolyseur dient bei einer Elektrolyse von Wasser der Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff unter Verwendung von elektrischem Strom. Der Elektrolyseur wird durch eine Vielzahl von hintereinander verschalteten Einzelzellen, die jeweils eine Zellspannung aufweisen, gebildet. Beispielhaft besteht der Verbraucher 40 aus einer Reihenschaltung von zumindest zwei Teilverbrauchern 40.1, 40.2, beispielsweise sogenannten Stacks eines Elektrolyseurs. Diese Stacks bestehen wiederum aus einer gewissen Anzahl von Zellen, beispielsweise von mehreren 100, beispielhaft ca. 190 Zellen pro Stack. Beispielhaft umfasst die Zellfläche 1400 cm2 bei einer Stromdichte von 3 A/cm2. Spannungen U oberhalb eines unteren Spannungsgrenzwerts Ugu (beispielsweise 620 V wie in 1 gezeigt) können über den Betrieb als einstufige Einheit bereitgestellt werden. Spannungen unterhalb des unteren Spannungsgrenzwerts Ugu erfordern den Betrieb als zweistufige Einheit. Die Stromgrenze für 620 V bei nicht gealterten Verbrauchern 40 bzw. Stacks 40.1, 40.2 liegt beispielsweise bei 1300 A, d.h. 1300/4200 = 30 % des Stroms I müssen über zweistufige Einheiten bereitgestellt werden.The consumer 40 is, for example, an electrolyzer. An electrolyzer is used in the electrolysis of water to produce hydrogen and oxygen using electrical current. The electrolyzer is formed by a plurality of individual cells connected in series, each having a cell voltage. For example, the consumer 40 consists of a series connection of at least two partial consumers 40.1, 40.2, for example so-called stacks of an electrolyzer. These stacks in turn consist of a certain number of cells, for example several hundred, for example approximately 190 cells per stack. For example, the cell area comprises 1400 cm² at a current density of 3 A/ cm² . Voltages U above a lower voltage limit value Ugu (for example 620 V as in 1 The currents (shown) can be provided by operating as a single-stage unit. Voltages below the lower voltage limit Ugu require operation as a two-stage unit. For example, the current limit for 620 V with non-aged loads 40 or stacks 40.1, 40.2 is 1300 A, i.e., 1300/4200 = 30% of the current I must be provided via two-stage units.

Für Verbraucher 40, insbesondere Elektrolyseure, werden leistungsstarke Stromquellen bzw. Leistungsquellen 12 wie beispielsweise üblicherweise ein Netzanschluss benötigt. Zur Wandlung der Wechselspannung in eine für den Verbraucher, insbesondere Elektrolyseur 40, geeignete Gleichspannung U werden Gleichrichter verwendet. Wird als Brückenschaltung eine aktive Brückenschaltung, insbesondere eine aktive B6-Brücke, verwendet, ergibt sich eine untere Spannungsgrenze, die nicht unterschritten werden kann. Bei klassischen 400 V Phasenspannungen liegt diese untere Spannungsgrenze Ugu im Bereich von ca. 600 V.For consumers 40, particularly electrolyzers, powerful current sources or power sources 12, such as a grid connection, are required. Rectifiers are used to convert the alternating voltage into a direct voltage U suitable for the consumer, particularly electrolyzer 40. If an active bridge circuit, particularly an active B6 bridge, is used as the bridge circuit, a lower voltage limit results that cannot be undershot. For conventional 400 V phase voltages, this lower voltage limit Ugu is in the range of approximately 600 V.

In 2 ist die schaltungstechnische Realisierung des Konzepts nach 1 beispielhaft gezeigt. Die Leistungsquelle 12 ist schematisch als dreiphasiger Netzanschluss ausgebildet. Der Schaltungsanordnung zur Versorgung des Verbrauchers, insbesondere des Elektrolyseurs 40, umfasst zumindest den als Brückenschaltung ausgebildeten Gleichrichter 16, der über den Zwischenkreis 26 mit dem Wandler 30, der ebenfalls als Brückenschaltung ausgeführt ist, verbunden ist. Der Wandler 30 dient erforderlichenfalls als Abwärtswandler, um die niedrigeren Spannungen U zu erschließen. Der Gleichrichter 16 dient als Stromrichter und umfasst beispielhaft drei parallel zueinander verschaltete Gleichrichterzweige 20, 22, 24. In jedem der Gleichrichterzweige 20, 22, 24 sind jeweils zwei Schalter 18 in Reihe zueinander angeordnet. In 2 sind beispielhaft als Schalter 18 Halbleiterschalter wie IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) verwendet, genauso gut können jedoch weitere steuerbare Leistungshalbleiter wie Mosfets beispielsweise aus SiC, GaN etc. verwendet werden. Jeweils zwischen den beiden Schaltern 18 eines Gleichrichterzweigs 20, 22, 24 sind jeweils die einzelnen Phasen der Leistungsquelle 12 elektrisch leitend über jeweils eine Spule 14 kontaktiert. Der Gleichrichter 16 ist somit als aktive B6-Brücke aufgebaut. Die beiden Ausgänge des Gleichrichters 16 sind mit dem Zwischenkreis 26 verbunden. Der Gleichrichter 16 wandelt also die Wechselspannung der Leistungsquelle 12 in eine Gleichspannung, mit der der Zwischenkreis 26 gespeist wird. Ein Zwischenkreiskondensator 28 ist mit den beiden Ausgängen des Gleichrichters 16 im Zwischenkreis 26 verbunden. Bei dem Zwischenkreis 26 in diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich somit um einen Gleichspannungszwischenkreis.In 2 is the circuitry implementation of the concept according to 1 shown as an example. The power source 12 is schematically designed as a three-phase mains connection. The circuit arrangement for supplying the consumer, in particular the electrolyzer 40, comprises at least the rectifier 16 designed as a bridge circuit, which is connected via the intermediate circuit 26 to the converter 30, which is also designed as a bridge circuit. The converter 30 serves as a step-down converter if necessary to access the lower voltages U. The rectifier 16 serves as a power converter and comprises, for example, three rectifier branches 20, 22, 24 connected in parallel. In each of the rectifier branches 20, 22, 24, two switches 18 are arranged in series. In 2 For example, semiconductor switches such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) are used as switches 18, but other controllable power semiconductors such as MOSFETs, for example made of SiC, GaN, etc., can just as well be used. Between the two switches 18 of a rectifier branch 20, 22, 24, the individual phases of the power source 12 are electrically contacted via a coil 14 each. The rectifier 16 is thus constructed as an active B6 bridge. The two outputs of the rectifier 16 are connected to the intermediate circuit 26. The rectifier 16 therefore converts the alternating voltage of the power source 12 into a direct voltage, which is used to feed the intermediate circuit 26. An intermediate circuit capacitor 28 is connected to the two outputs of the rectifier 16 in the intermediate circuit 26. The intermediate circuit 26 in this exemplary embodiment is therefore a direct voltage intermediate circuit.

Der weitere Wandler 30 umfasst beispielhaft wiederum drei parallele Zweige 32, 34, 36. In jedem der parallelen Zweige 32, 34, 36 sind jeweils zwei Schalter 18 in Reihe zueinander angeordnet. Die jeweils gemeinsamen Potenziale der Zweige 32, 34, 36 sind wiederum mit dem Zwischenkreis 26 verbunden. Ebenfalls wie der Gleichrichter 16 ist auch der Wandler 30 mit der Leistungsquelle 12 verbindbar. Hierzu wird jeweils zwischen den beiden Schaltern 18 eines Zweigs 32, 34, 36 eine elektrisch leitende Kontaktierung mit den jeweiligen Phasen der Leistungsquelle 12 vorgenommen, die jeweils über entsprechende weitere Spulen 38 und jeweils über einen ersten Schalter 41 geführt wird. Die drei jeweils über den ersten Schalter 41 geführte Phasen werden einerseits über die jeweiligen weiteren Spulen 38 dem Wandler 30 zugeführt, andererseits an einem Verzweigungspunkt über für jede Phase vorgesehene weitere Schalter 42 geführt und nach dem weiteren Schalter 42 auf dasselbe Potenzial gelegt zusammengeführt zur weiteren Kontaktierung des Eingangs des Verbrauchers 40. Über ein drittes Schaltmittel 43 wird das zwischen Gleichrichter 16 und Wandler 30 liegende gemeinsame (obere bzw. positive) Potenzial des Zwischenkreises 26 an den Eingang des Verbrauchers 40 geführt. Der weitere Eingang des Verbrauchers 40 liegt auf demselben (unteren bzw. negativen) Potenzial wie das Bezugspotenzial des Zwischenkreises 26 bzw. der beiden ebenfalls mit dem weiteren Eingang des Verbrauchers 40 verbundenen Brückenschaltungen 16, 30.The further converter 30, for example, again comprises three parallel branches 32, 34, 36. In each of the parallel branches 32, 34, 36, two switches 18 are arranged in series. The common potentials of the branches 32, 34, 36 are in turn connected to the intermediate circuit 26. Like the rectifier 16, the converter 30 can also be connected to the power source 12. For this purpose, an electrically conductive contact is made between the two switches 18 of a branch 32, 34, 36 with the respective phases of the power source 12, which is each guided via corresponding further coils 38 and each via a first switch 41. The three phases, each routed via the first switch 41, are on the one hand fed to the converter 30 via the respective further coils 38, on the other hand, are routed at a branching point via further switches 42 provided for each phase and, after the further switch 42, are brought together to the same potential for further contacting of the input of the consumer 40. Via a third switching means 43, the voltage between the rectifier 16 and converter 30, the common (upper or positive) potential of the intermediate circuit 26 is fed to the input of the consumer 40. The further input of the consumer 40 is at the same (lower or negative) potential as the reference potential of the intermediate circuit 26 or of the two bridge circuits 16, 30, which are also connected to the further input of the consumer 40.

Die Schalter 41, 42, 43 sind Bestandteile einer Schaltereinheit, die den wahlweisen Betrieb des Wandlers 30 als Gleichrichter bzw. AC/DC-Wandler, insbesondere parallel geschaltet zu dem Gleichrichter 16, der ebenfalls als Aufwärtswandler bzw. AC/DC-Wandler fungiert, und als Gleichspannungswandler DC/DC, insbesondere als Abwärtswandler ermöglichen. Die Schaltereinheit ermöglicht sowohl einen einstufigen Betrieb 21 (Parallelschaltung der beiden Brückenschaltungen 16, 30 und Betrieb als Gleichrichter bzw. AC/DC-Wandler) wie auch einen zweistufigen Betrieb 23 (der Wandler 30 bildet die weitere Stufe und fungiert als Gleichspannungswandler bzw. DC/DC-Wandler, insbesondere Abwärtswandler, sequenziell angekoppelt an den Zwischenkreis 26). Die unterschiedlichen Betriebsarten mit den zugehörigen Stellungen der Schalter 41, 42, 43 der Schaltereinheit sind in den nachfolgenden 3 und 4 gezeigt.The switches 41, 42, 43 are components of a switch unit that enable the optional operation of the converter 30 as a rectifier or AC/DC converter, in particular connected in parallel to the rectifier 16, which also functions as a boost converter or AC/DC converter, and as a DC/DC converter, in particular as a step-down converter. The switch unit enables both a single-stage operation 21 (parallel connection of the two bridge circuits 16, 30 and operation as a rectifier or AC/DC converter) and a two-stage operation 23 (the converter 30 forms the further stage and functions as a DC/DC converter or DC/DC converter, in particular a step-down converter, sequentially coupled to the intermediate circuit 26). The different operating modes with the associated positions of the switches 41, 42, 43 of the switch unit are described in the following. 3 and 4 shown.

3 zeigt die Schalterstellungen im zweistufigen Betrieb 23. Die ersten Schalter 41 sind hierbei geöffnet. Es erfolgt also nun keine Einspeisung bzw. Versorgung des Wandlers 30 durch die Leistungsquelle 12 über die weiteren Spulen 38. Ebenfalls besteht nun keine leitende Verbindung zwischen dem Zwischenkreis 26 und dem ersten Eingang des Verbrauchers 40. Die Ausgangsspannung (Gleichspannung) des Gleichrichters 16 dient dem Wandler 30 als Eingangsspannung. Der zugehörige dritte Schalter 43 ist geöffnet. Jedoch sind die weiteren Schalter 42 alle geschlossen, so dass die jeweils für die Zweige 32, 34, 36 des Wandlers 30 zwischen zwei Schaltmitteln 18 über die weiteren Spulen 38 herausgeführten gleichgerichteten Spannungsverläufe zusammengeführt werden (nach dem geschlossenen weiteren Schalter 42) und dem Eingang des Verbrauchers 40 zugeführt werden. Der Gleichrichter 16 und der Wandler 30 sind also hintereinander geschaltet. Der Gleichrichter 16 fungiert als AC/DC-Wandler im Hochsetzstellerbetrieb. Der Wandler 30 fungiert als DC/DC-Wandler. Im DC/DC-Wandler-Betrieb wirken die weiteren Spulen 38 glättend und verhindern die Ausbildung von Kreisströmen. Vorzugsweise sind die Spulen 14 vor der AC/DC-Seite (des Gleichrichters 16) und nach der DC/DC-Seite (des Wandlers 30) identisch aufgebaut. 3 shows the switch positions in two-stage operation 23. The first switches 41 are open. There is therefore no feed-in or supply to the converter 30 from the power source 12 via the additional coils 38. Likewise, there is now no conductive connection between the intermediate circuit 26 and the first input of the load 40. The output voltage (DC voltage) of the rectifier 16 serves as the input voltage for the converter 30. The associated third switch 43 is open. However, the additional switches 42 are all closed, so that the rectified voltage waveforms for the branches 32, 34, 36 of the converter 30 between two switching devices 18 via the additional coils 38 are combined (after the additional switch 42 is closed) and fed to the input of the load 40. The rectifier 16 and the converter 30 are therefore connected in series. Rectifier 16 functions as an AC/DC converter in boost converter mode. Converter 30 functions as a DC/DC converter. In DC/DC converter mode, the additional coils 38 have a smoothing effect and prevent the formation of circulating currents. Preferably, the coils 14 upstream of the AC/DC side (of rectifier 16) and downstream of the DC/DC side (of converter 30) are constructed identically.

4 zeigt die Schalterstellungen im einstufigen Betrieb 21. Die ersten Schalter 41 sind geschlossen. Die weiteren Schalter 42 sind geöffnet. Der dritte Schalter 43 ist geschlossen. Die Pfeile symbolisieren die entsprechenden Stromflüsse. Die Phasen gelangen parallel jeweils über die Spulen 14 an den Gleichrichter 16. Ebenfalls werden die Phasen der Leistungsquelle 12 über die weiteren Spulen 38 dem Wandler 30 zugeführt und speisen nach AC/DC-Wandlung (durch entsprechende Ansteuerung der Schaltmittel 18 bei den jeweiligen B6-Brücken zu den geeigneten Zeitpunkten) gleichermaßen den Zwischenkreis 26. Das positive Zwischenkreispotential gelangt über den dritten Schalter 43 an den Eingang des Verbrauchers 40. Das Bezugspotenzial des Zwischenkreises 26 gelangt an den weiteren Eingang des Verbrauchers 40. Bei gleicher Dimensionierung der Spulen 14 wie der weiteren Spulen 38 sind auch die Hochsetzstellerspulen identisch. 4 lässt sich über die entsprechenden Pfeil entnehmen, dass der Wandler 30 quasi rückwärts betrieben wird. 4 shows the switch positions in single-stage operation 21. The first switches 41 are closed. The other switches 42 are open. The third switch 43 is closed. The arrows symbolize the corresponding current flows. The phases are each fed in parallel via the coils 14 to the rectifier 16. The phases of the power source 12 are also fed to the converter 30 via the other coils 38 and, after AC/DC conversion (by appropriately controlling the switching means 18 in the respective B6 bridges at the appropriate times), equally feed the intermediate circuit 26. The positive intermediate circuit potential is fed to the input of the consumer 40 via the third switch 43. The reference potential of the intermediate circuit 26 is fed to the other input of the consumer 40. If the coils 14 and the other coils 38 have the same dimensions, the boost converter coils are also identical. 4 The corresponding arrow shows that the converter 30 is operated in reverse.

Der Gleichrichter 16 und der Wandler 30 werden in jeder der Betriebsarten (einstufiger Betrieb, zweistufiger Betrieb) gleichermaßen verwendet. Für die Annahme von einer Stromtragfähigkeit von 50 % des Maximalstroms der beiden Brückenschaltungen 16, 30 kann im Fall der zweistufigen Konfiguration 50 % des Maximalstroms bedient werden, also die untere Hälfte des Leistungsspektrums, während im einstufigen Betrieb durch die Addition der Einzelströme 100 % des Maximalstroms bedient werden können.Rectifier 16 and converter 30 are used equally in each operating mode (single-stage operation, two-stage operation). Assuming a current carrying capacity of 50% of the maximum current of the two bridge circuits 16, 30, 50% of the maximum current can be served in the two-stage configuration, i.e., the lower half of the power spectrum, while in single-stage operation, 100% of the maximum current can be served by summing the individual currents.

Zusammenfassend ist in den 2-4 ein aktiver Gleichrichter gezeigt mit Spulen 14 auf der Netzanschlussseite (ACDC-Stufe). Im ACDC-Betrieb (invertieren der AC-Netzspannung der Leistungsquelle 12, beispielsweise 400 V, in eine Gleichspannung, beispielsweise 800 V) haben diese Spulen 14 die Aufgabe, einen Hochsetzstellerbetrieb zu ermöglichen. Die in den 2-4 gezeigte B6-Brücke ist hier mit MosFets aufgebaut, genauso gut können auch IGBTs oder weitere geeignete Halbleiterschalter verwendet werden. Der Gleichrichter 16 auf der Netzseite arbeitet im einstufigen Betrieb 21 als geregelte Gleichstromquelle (Ausgangsstrom Idc) und im zweistufigen Betrieb 23 als geregelte Gleichspannungsquelle (Ausgangsspannung Udc). Um ein störungsfreies Umschalten (ohne Sprünge oder Einschwingverhalten) vom einstufigen Betrieb 21 in den zweistufigen Betrieb 23 zu ermöglichen, wird eine Regelung 49 in einer dreifachen Kaskade aus einem Phasenstromregler 54 (Idq control), einem Spannungsregler 52, insbesondere Gleichspannungsregler (Udc control), und einem Stromregler 50, insbesondere Gleichstromregler (Idc control) betrieben wie in 5 gezeigt. Dem Stromregler 50 wird eine an einem Summationspunkt (Differenzbildung) gebildete Regelabweichung aus Gleichstromsollwert Idc,des und Gleichstromistwert Idc,act zugeführt. Der Stromregler 50 ist beispielsweise als Pl-Regler ausgebildet. Die Ausgangsgröße des Stromreglers 50 wird als Gleichspannungssollwert Udc,des einem Summationspunkt (Differenzbildung) zugeführt, über den unter Verwendung des Gleichspannungsistwerts Udc,act eine entsprechende Regelabweichung gebildet wird. Diese Regelabweichung wird dem Spannungsregler 52 zugeführt. Der Spannungsregler 52 ist beispielsweise als Pl-Regler ausgebildet. Die Ausgangsgröße des Spannungsreglers 52 wird als Phasenstromsollwert Idq,des einem weiteren Summationspunkt (Differenzbildung) zugeführt, über den unter Verwendung eines Phasenstromistwerts Idq,act eine entsprechende Regelabweichung gebildet wird. Diese Regelabweichung wird dem Phasenstromregler 54 zugeführt. Der Phasenstromregler 54 ist beispielsweise als Pl-Regler ausgebildet. Die Ausgangsspannung des Phasenstromreglers 54 ist eine entsprechende Phasenspannung Udq. Über diese Phasenspannung Udq wird der Gleichrichter 16 angesteuert.In summary, the 2-4 An active rectifier is shown with coils 14 on the mains connection side (ACDC stage). In ACDC operation (inverting the AC mains voltage of the power source 12, for example, 400 V, into a DC voltage, for example, 800 V), these coils 14 have the task of enabling boost converter operation. The 2-4 The B6 bridge shown here is constructed with MOSFETs, but IGBTs or other suitable semiconductor switches can also be used. The rectifier 16 on the mains side operates in single-stage operation 21 as a regulated DC current source (output current Idc) and in two-stage operation 23 as a regulated DC voltage source (output voltage Udc). To enable trouble-free switching (without jumps or transient response) from single-stage operation 21 to two-stage operation 23, a controller 49 is operated in a triple cascade consisting of a phase current controller 54 (Idq control), a voltage controller 52, in particular a DC voltage controller (Udc control), and a current controller 50, in particular a DC current controller (Idc control), as shown in 5 shown. The current controller 50 is supplied with a control deviation formed at a summation point (difference formation) from the DC setpoint Idc,des and the DC actual value Idc,act. The current controller 50 is designed, for example, as a pl- The output variable of the current regulator 50 is fed as a DC voltage setpoint Udc,des to a summation point (difference formation), via which a corresponding control deviation is formed using the DC voltage actual value Udc,act. This control deviation is fed to the voltage regulator 52. The voltage regulator 52 is designed, for example, as a PI controller. The output variable of the voltage regulator 52 is fed as a phase current setpoint Idq,des to another summation point (difference formation), via which a corresponding control deviation is formed using a phase current actual value Idq,act. This control deviation is fed to the phase current controller 54. The phase current controller 54 is designed, for example, as a PI controller. The output voltage of the phase current controller 54 is a corresponding phase voltage Udq. The rectifier 16 is controlled via this phase voltage Udq.

Während des einstufigen Betriebs 21 sind alle drei Regler 50, 52, 54 der Kaskade in Betrieb. Die Stellgröße der überlagerten Regelung bildet den Sollwert der jeweils unterlagerten Regelschleife.During single-stage operation 21, all three controllers 50, 52, and 54 of the cascade are in operation. The manipulated variable of the higher-level control loop forms the setpoint of the respective lower-level control loop.

Wird nun in den zweistufigen Betrieb 23 umgeschaltet, wird die Stromregelung 50, insbesondere Gleichstromregelung, nicht mehr benötigt. Somit gibt der Stromregler 50 keinen Sollwert für den nachfolgenden Spannungsregler 52 vor. Der Sollwert für den Spannungsregler 52 Udc,des wird vielmehr direkt vorgegeben. Ist wieder ein Wechsel zum einstufigen Betrieb 21 erforderlich, wird der Stromregler 50, insbesondere Gleichstromregler, wieder zugeschaltet. Hierbei muss jedoch der Integrator (bei der Verwendung eines Integrator als Bestandteil eines vorzugsweise eingesetzten PI-Reglers) zurückgesetzt werden, um einen sogenannten windup zu verhindern. Durch die vorgeschlagene dreifach kaskadierte Regelung kommt es insbesondere bei einem Wechsel der Betriebsarten 21,23 zu keinen Sprüngen oder Einschwingen.If the system now switches to two-stage operation 23, the current controller 50, in particular DC control, is no longer required. Thus, the current controller 50 does not specify a setpoint for the downstream voltage controller 52. Rather, the setpoint for the voltage controller 52 Udc,des is specified directly. If a switch back to single-stage operation 21 is necessary, the current controller 50, in particular DC controller, is switched back on. However, the integrator (when using an integrator as part of a preferably used PI controller) must be reset to prevent windup. The proposed triple cascaded control eliminates any jumps or transients, particularly when switching between operating modes 21 and 23.

Die beschriebene Schaltungsanordnung eignet sich insbesondere für den Betrieb eines Verbrauchers 40, insbesondere eines Elektrolyseurs bzw. vergleichbarer Anlagen, der aus einem Wechselspannungsnetz mit Gleichspannung über einen weiten Spannungsbereich bei hohen Leistungen versorgt werden muss.The circuit arrangement described is particularly suitable for the operation of a consumer 40, in particular an electrolyzer or comparable systems, which must be supplied from an alternating voltage network with direct voltage over a wide voltage range at high power levels.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 3752665 B1 [0002]EP 3752665 B1 [0002]

Claims (13)

Verfahren zur Versorgung zumindest eines Verbrauchers (40), insbesondere eines Elektrolyseurs, mit einer Gleichspannung, umfassend zumindest einen Gleichrichter (16) und zumindest einen Wandler (30), wobei in einem einstufigen Betrieb (21) der Wandler (30) parallel zu dem Gleichrichter (16) betrieben wird, so dass der Wandler (30) als Gleichrichter (30) verwendet wird, um die von einer Leistungsquelle (12) bereitgestellte Wechselspannung in eine Gleichspannung zu wandeln, wobei in einem zweistufigen Betrieb (23) der Wandler (30) als ein dem Gleichrichter (16) nachgeschalteter Gleichspannungswandler (30) betrieben wird, zur Versorgung des Verbrauchers (40) mit einer Spannung (U), wobei eine Regelung (49) den Gleichrichter (16) ansteuert.Method for supplying at least one consumer (40), in particular an electrolyzer, with a direct voltage, comprising at least one rectifier (16) and at least one converter (30), wherein in a single-stage operation (21) the converter (30) is operated in parallel with the rectifier (16) so that the converter (30) is used as a rectifier (30) to convert the alternating voltage provided by a power source (12) into a direct voltage, wherein in a two-stage operation (23) the converter (30) is operated as a direct voltage converter (30) connected downstream of the rectifier (16) to supply the consumer (40) with a voltage (U), wherein a controller (49) controls the rectifier (16). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung (49) als dreifach kaskadierte Regelung ausgebildet ist.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the control (49) is designed as a triple cascaded control. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung (49) zumindest einen Stromregler (50) und/oder einen Spannungsregler (52) und/oder zumindest einen Phasenstromregler (54) umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the control (49) comprises at least one current regulator (50) and/or one voltage regulator (52) and/or at least one phase current regulator (54). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem einstufigen Betrieb (21) der Stromregler (50), der Spannungsregler (52) und der Phasenstromregler (54) aktiv sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the single-stage operation (21) the current regulator (50), the voltage regulator (52) and the phase current regulator (54) are active. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweistufigen Betrieb (23) der Spannungsregler (52) und der Phasenstromregler (54) aktiv sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the two-stage operation (23) the voltage regulator (52) and the phase current regulator (54) are active. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgangsgröße (idq,des) des Spannungsreglers (52) als Sollwert für den Phasenstromregler (54) verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an output variable (idq,des) of the voltage regulator (52) is used as a setpoint for the phase current regulator (54). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (16) in Abhängigkeit von einer Ausgangsgröße (Udq) des Phasenstromreglers (54) angesteuert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the rectifier (16) is controlled as a function of an output variable (Udq) of the phase current regulator (54). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgangsgröße des Stromreglers (50) als Sollwert (Udc,des) für den Spannungsregler (52) verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an output variable of the current regulator (50) is used as a setpoint value (Udc,des) for the voltage regulator (52). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromregler (50) und/oder der Spannungsregler (52) und/oder der Phasenstromregler (54) als PI-Regler ausgebildet wird/werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the current regulator (50) and/or the voltage regulator (52) and/or the phase current regulator (54) is/are designed as a PI regulator. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wechsel von dem zweistufigen Betrieb (23) in den einstufigen Betrieb (21) ein Integrator des Stromreglers (50) zurückgesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that when changing from the two-stage operation (23) to the single-stage operation (21), an integrator of the current regulator (50) is reset. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Spannungsregler (52) eine Regelabweichung aus einem Spannungssollwert (Udc,des) und einem Spannungsistwert (Udc,act) zugeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a control deviation from a voltage setpoint value (Udc,des) and an actual voltage value (Udc,act) is supplied to the voltage regulator (52). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Phasenstromregler (54) eine Regelabweichung aus einem Phasenstromsollwert (Idq,des) und einem Phasenstromistwert (Idq,act) zugeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a control deviation from a phase current setpoint value (Idq,des) and a phase current actual value (Idq,act) is supplied to the phase current controller (54). Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zumindest einen Gleichrichter (16) und zumindest einen Wandler (30), wobei in einem einstufigen Betrieb (21) der Wandler (30) parallel zu dem Gleichrichter (16) betrieben ist, so dass der Wandler (30) als Gleichrichter (30) verwendet wird, um die von einer Leistungsquelle (12) bereitgestellte Wechselspannung in eine Gleichspannung zu wandeln, wobei in einem zweistufigen Betrieb (23) der Wandler (30) als ein dem Gleichrichter (16) nachgeschalteter Gleichspannungswandler (30) betrieben ist, zur Versorgung eines Verbrauchers (40), insbesondere Elektrolyseur, mit einer Spannung (U), wobei eine Regelung (49) für den Gleichrichter (16) vorgesehen ist.Device for carrying out the method according to one of the preceding claims, comprising at least one rectifier (16) and at least one converter (30), wherein in a single-stage operation (21) the converter (30) is operated in parallel with the rectifier (16), so that the converter (30) is used as a rectifier (30) to convert the alternating voltage provided by a power source (12) into a direct voltage, wherein in a two-stage operation (23) the converter (30) is operated as a direct voltage converter (30) connected downstream of the rectifier (16) for supplying a consumer (40), in particular an electrolyzer, with a voltage (U), wherein a control system (49) is provided for the rectifier (16).
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