本專利申請涉及一種用于電解單元的供能裝置以及具有這種供能裝置的電解設備。

背景技術：

1、通過提供電能與電解分解，可以從水中產生氫氣。工業(yè)氫氣生產通常使用電解器進行生產，電解器經由整流器從供能電網(例如中壓電網)供電。眾所周知，電解器易受老化影響，對于給定的直流輸入電壓，在老化過程中電解器的氫氣生產率會降低。氫氣生產率直接取決于電解器的電流吞吐量，并且通常隨著電解器的直流輸入電壓的增加而增加。為了即使在電解器老化時也能達到指定的氫氣生產率，因而必須增加電解器的直流輸入電壓。

2、電解器供電電壓隨老化而增加的問題在現有技術中通常通過具有所謂的分級開關(stufenschalter)的變壓器(整流器經由該變壓器連接到供電網)來解決。分級開關通常位于變壓器的初級側，通過分級開關可以改變變壓器的傳輸比。因此，提供給整流器交流側的交流電壓的電壓幅度可以隨時間推移而增加(或減少)。通過增加交流電壓幅度，電解器的老化效應可以至少部分地得到補償，而整流器不必隨著電解器老化而以顯著更高的轉換損耗運行。

3、除了電解器之外，電解單元還包括輔助單元(hilfsaggregate)，例如冷卻裝置、泵、加熱裝置等，它們以指定的質量(壓力、溫度等)提供和排出電解器所需的介質。輔助單元的電力供應通常經由標準化交流電壓(例如400v、480v)提供，該交流電壓的電壓幅度通常具有較窄的公差范圍。通過初級側分級開關改變變壓器的傳輸比，這也會對為輔助單元供電的次級側交流電壓產生影響，因為該電壓也會增加，如果不采取進一步的應對措施，就會超出允許的公差范圍。

4、為了避免用于輔助單元的交流電壓的增加，已知一種根據圖1的電解設備150的設計，該設計具有供能裝置100和電解單元120。供能裝置100包括兩個單獨的變壓器102、104，每個變壓器的初級側經由供能裝置100的電網連接部115連接到供能電網40。電解單元120的電解器22經由第一變壓器104提供給直流輸入電壓udc，el。為此，第一變壓器104的次級側通過交流分離單元105、交流/直流轉換器106、直流分離單元112和供能裝置100的直流電壓輸出116連接到電解器22的直流電壓輸入21，電解單元120的電解器22由該直流電壓輸入21供電。第二變壓器102用于向電解單元120的輔助單元23、24提供標準化交流電壓，并且為此目的，第二變壓器102在次級側通過供能100的輔助功率輸出117連接到電解單元120的輔助單元23、24。只有第一變壓器104具有分級開關，而第二變壓器102沒有分級開關，以補償電解器22的老化效應。盡管第二變壓器102不需要分級開關，并且其額定功率通常設計為明顯低于第一變壓器104的額定功率，并且盡管兩個變壓器102、104不一定必須設計為多繞組變壓器，但整體解決方案仍然成本高昂，特別是在供能電網40為中壓電網，并且第二變壓器102設計為單獨的中壓變壓器的情況下。

5、圖2示出了具有供能裝置200和電解單元220的電解設備250的另一種傳統(tǒng)變體。此處，供能單元200包括變壓器202，變壓器202設計為具有第一次級側和第二次級側的多繞組變壓器，其在初級側經由供能裝置200的電網連接部215連接到供能電網40。電解單元的輔助單元23、24通過變壓器202的第一次級側供電。第二次級側用于向電解單元220的電解器22提供直流輸入電壓udc，el。為此，它經由交流隔離裝置205、交流/直流轉換器206、直流隔離裝置212和供能裝置200的直流電壓輸出216連接到電解器22的直流輸入21。為了補償電解器22的老化效應，變壓器202在初級側具有分級開關，通過該分級開關，可以增大提供給交流/直流轉換器206的交流電壓的電壓幅度。為了使由變壓器202的分級開關導致的傳輸比變化不會影響連接到輔助功率輸出17的輔助單元23、24的交流電壓，第二變壓器204也具有分級開關。第二變壓器204的分級開關現在以與變壓器202的分級開關相反的方向運行，從而第二變壓器204的次級側(面向輔助單元23、24)上的交流電壓再次降低。這允許補償變壓器202在向輔助單元23、24供電時的電壓增加并將其重置為輔助單元所需的標準值。在這種傳統(tǒng)變體中，低壓變壓器(不一定必須設計為多繞組變壓器)可用作第二變壓器204。但是，它還必須具有附加的分級開關。這種配備有分級開關的變壓器通常比沒有分級開關的變壓器更昂貴?？傊?，根據圖1和圖2的傳統(tǒng)解決方案復雜、昂貴且實施時經常容易出錯。

6、文獻cn?202930937?u公開了一種用于電解槽的供能系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括交流電降壓站、將交流電轉換為直流電的電能轉換站和電解槽。電能轉換站包括輸入側交流電流采樣電路和輸入側交流電壓采樣電路、負載調壓器、整流變壓器、整流器、控制器、濾波及功率補償裝置、輸出側直流電流采樣電路和輸出側直流電壓采樣電路。電能轉換站的這種設計使得整流變壓器因諧波造成的功率損失大大降低。

7、文獻wo?2009/144266?a1公開了一種三相整流電路，該電路具有兩個或更多個變壓器，該變壓器在在初級側彼此并聯(lián)連接到交流電網，并且在次級側各自連接到至少一個半導體整流橋。連接到不同變壓器的整流橋在直流電側串聯(lián)連接，以便向耗電設備提供直流電。其中一個整流橋是晶閘管整流橋，而其余的整流橋是二極管整流橋。

8、gb?778989a公開了一種具有多個電解負載的電解設備，其中每個電解負載經由其自身的多相整流器通過變壓器的單獨的星形連接的次級繞組組供電。變壓器具有兩組連接到三相電源的初級繞組。如果發(fā)生錯誤，則僅有受影響的用電設備會被關閉。

9、文件de?897?696b公開了一種電解裝置，所述裝置具有電動泵、液體容器和電解池，該電解池用泵從容器中輸送液體。電解器包含電網變壓器、整流器和電壓調節(jié)器，用于向電解池以及輔助變壓器和整流器供電，以操作將鹽水泵入電解池的電機。

技術實現思路

1、本發(fā)明的內容是提供一種用于電解單元的供能裝置，盡管電解器逐漸老化，但其當向電解器供能時，所述供能裝置不會產生任何或至少不會顯著增加與轉換相關的功率損耗。所述供能裝置還應盡可能具有成本效益。本發(fā)明的另一個內容是提供具有這些特性的電解設備。

2、根據本發(fā)明的用于電解單元的供能裝置包括以下內容：

3、-用于將供能裝置連接到供能電網的電網連接部，

4、-用于連接電解單元的電解器的直流電壓輸出，以及

5、-用于連接電解單元的至少一個輔助單元的輔助功率輸出。

6、所述供能裝置還包括第一多繞組變壓器，所述第一多繞組變壓器具有初級側和次級側，初級側連接到供能裝置的電網連接部，次級側具有第一次級側連接部和第二次級側連接部，第一次級側連接部與二次側連接相互電隔離。第一次級側連接部與輔助功率輸出連接，并設計為提供具有第一電壓幅度的交流電壓。第二次級側連接部與作為整流器工作的第一交流/直流轉換器的交流連接部相連，并設計為提供具有第二電壓幅度的交流電壓。第一交流/直流轉換器的直流連接部與供能裝置的直流輸出相連。所述供能裝置還包括第二變壓器，所述第二變壓器具有連接到電網連接部的初級側和次級側。在此，所述第二變壓器的次級側具有第三次級側連接部，該第三次級側連接部被設計用于提供具有第三電壓幅度的交流電壓，并且該第三次級側連接部與第二交流/直流轉換器的交流連接部連接。第二交流/直流轉換器的直流連接部與直流輸出連接。第一多繞組變壓器的初級側和第一次級側連接部或第一多繞組變壓器的初級側和次級側分別不具有分級開關。

7、除了第一多繞組變壓器和第二變壓器之外，所述供能置還可以包括一個或可能多個附加變壓器。所述一個或多個附加變壓器可以各自經由作為整流器的交流/直流轉換器將其初級側連接到電網連接部，并將其次級側連接部到供能裝置的直流電壓輸出，或者，在變壓器各自具有兩個電隔離的次級側連接部的情況下，也可以經由兩個作為整流器的交流/直流轉換器將其次級側連接部到供能裝置的直流電壓輸出。所述附加變壓器可以各自設計為多繞組變壓器。所述附加變壓器可以但不一定必須各自具有分級開關。

8、多繞組變壓器是在其初級側和/或次級側包含用于交流電壓的每個相的相應的多個繞組的變壓器。例如，三繞組變壓器可在每個相中在其初級側包含一個繞組并在其次級側包含兩個繞組。因此，四繞組變壓器每個相可具有兩個初級側繞組和兩個次級側繞組。在此處提到的多繞組變壓器中，每個相的兩個次級側繞組通常彼此之間電隔離。替代地，一個或多個多繞組變壓器各自具有兩個并聯(lián)的次級繞組也是可行的。如果每相有兩個初級繞組(例如在四繞組變壓器中)則它們可以相互電連接，特別是相互并聯(lián)。對于每相具有兩個電隔離次級繞組的多繞組變壓器，可以使用兩個不同的傳輸比將初級側的交流電壓轉換為具有不同電壓幅度的兩個次級側交流電壓。

9、對于電解反應，電解器需要具有預定的化學和/或物理性質的化學介質。電解反應將介質轉化為其他介質，一旦轉化，必須再次將其運走。電解單元的輔助單元用于向電解器供應化學物質，并且是需要將化學介質輸送到電解器和/或將化學介質運離電解器的單元。替代地或附加地，所述輔助單元還可用于制備化學介質，以使它們達到和/或保持其預定的化學或物理性質。因此，這種輔助單元(例如用于從水中電解生產氫氣)可以特別包括氣泵、液泵、氣體壓縮機、氣體干燥單元、用于水凈化的清潔單元、冷卻單元或加熱單元。所述電解單元通常可以包含多個相同和/或不同的輔助單元。

10、在根據本發(fā)明的供能裝置中，第一多繞組變壓器用于借助其第一次級側連接部向電解單元的輔助單元提供具有第一電壓幅度的交流電壓。第二次級繞組和在那里提供的具有第二電壓幅度的交流電壓經由第一交流/直流轉換器整流并饋送到供能裝置的直流電壓輸出，隨后饋送到電解器的直流輸入以為其供電。第二變壓器可以是，但不必須是多繞組變壓器。經由其在第三次級側連接部處提供的具有第三電壓幅度的交流電壓經由第二交流/直流轉換器整流，并饋送到供能裝置的直流電壓輸出，隨后饋送到電解器的直流輸入以為其供電。連接到電解器的直流輸入的兩個交流/直流轉換器不必同時啟動并向電解器供電。相反，在低氫氣生產率下，進而在相對于其額定功率的低功率轉換下，電解器可以首先由第二交流/直流轉換器而不是第一交流/直流轉換器供電。此外，只有當電解器具有更高的功率轉換水平(更接近電解器的額定功率)時，第一交流/直流轉換器才可以連接到第二交流/直流轉換器。具體而言，使用第二交流/直流轉換器而不是第一交流/直流轉換器來啟動電解器是可行的，并且在部分負載下運行電解器同樣可行。通過選擇第二次級側連接部和第三次級側連接部的傳輸比，使得第二電壓幅度大于第三電壓幅度特別是始終大于第三電壓幅度可以最小化電解單元或供能裝置運行期間發(fā)生的功率損耗，其中，用至少一個交流/直流轉換器(如有必要，也可以用兩個交流/直流轉換器)就可以達到電解器在其電流-電壓圖中的全部運行范圍。這也適用于電解器的直流輸入提供的直流電壓因老化而增加的情況。

11、由于第一多繞組變壓器的初級側和第一次級側連接部或第一多繞組變壓器的初級側和次級側分別不具有分級開關，因此施加到第一次級側連接部的交流電壓的第一電壓幅度隨時間恒定，特別是隨著電解器的老化而不變。因此，它始終可以對應于電解單元的輔助單元所需的標準化交流電壓。如果整個第一多繞組變壓器也沒有分級開關，這也以相應的形式適用于施加到第二次級側連接部上的具有第二電壓幅度的交流電壓。因此，第一多繞組變壓器可以設計得具有成本效益。第二變壓器也可以設計得具有成本效益，特別是在它不是設計為多繞組變壓器并且也沒有分級開關的情況下盡管如此，在根據本發(fā)明的供能裝置中，第一多繞組變壓器和第二變壓器可以在其供能方面得到最佳利用。這尤其適用于第一多繞組變壓器，所述第一多繞組變壓器通過其第一次級側連接部為輔助單元供電，并通過其第二次級側連接部為電解器供電。總之，這使得用于電解單元的供能裝置是成本有效的，即使電解器發(fā)生老化，其轉換損耗也不會顯著增加。

12、在供能裝置的有利實施例中，第二變壓器也可設計為多繞組變壓器，其次級側除了具有第三次級側連接部外還具有第四次級側連接部。第四次級側連接部構造為提供具有第四電壓幅度的交流電壓。其連接到第三交流/直流轉換器的交流連接部，該第三交流/直流轉換器的直流連接部連接到供能裝置的直流輸出。有利地，第四電壓幅度小于第二電壓幅度所述第四電壓幅度可以等于第三電壓幅度但有利地與其不同。這樣，交流/直流轉換器在為電解器產生直流輸入電壓時可以覆蓋電解器的工作范圍，使得在工作期間，每個交流/直流轉換器覆蓋不同的電壓范圍，在該電壓范圍內，其工作特別高效并且轉換損耗低。不同交流/直流轉換器的電壓范圍可以有利地重疊。這并不意味著在每個電壓范圍內，僅運行分配給該電壓范圍的交流/直流轉換器。相反，多個(特別是所有)交流/直流轉換器可以在各個電壓范圍內或每個電壓范圍內同時操作。然而，分配給該電壓范圍的交流/直流轉換器相對于其他交流/直流轉換器而言，則以特別低的轉換損耗運行。無論第二變壓器是否是第二多繞組變壓器，其可以有利地在其初級側或次級側包括分級開關。如果分級開關布置在次級側，則可以改變來自第三次級側連接部和第四次級側連接部的次級側連接部中的僅一個的傳輸比由于第二變壓器具有分級開關，因此可以進一步最小化在功能裝置運行期間電解器老化時發(fā)生的轉換損耗增加。

13、在供能裝置的另一實施例中，第一交流/直流轉換器可設計為基于晶體管的交流/直流轉換器。所述基于晶體管的交流/直流轉換器具有橋式電路，所述橋式電路具有多個橋式分支，每個橋式分支包括至少兩個晶體管的串聯(lián)連接。每個晶體管可具有與晶體管反向并聯(lián)連接的單獨或本征二極管。具體而言，每個晶體管可設計為絕緣柵雙極晶體管(igbt)或金屬氧化物半導體場效應晶體管(mosfet)。在工作期間，基于晶體管的交流/直流轉換器在其交流連接部處僅產生少量不需要的無功功率，該無功功率作為干擾信號經由電網連接部傳輸到供能電網和/或從第一次級側連接部傳輸到第二次級側連接部。無論如何，基于晶體管的交流/直流轉換器的干擾信號明顯小于基于晶閘管的交流/直流轉換器的干擾信號。此外，與基于晶閘管的交流/直流轉換器相比，基于晶體管的交流/直流轉換器構造為產生雙向功率流，即它不僅可以在整流模式下工作，還可以在逆變模式(wechselrichten)下工作。通過這種方式，它還能夠產生所需的無功功率，以至少部分地補償在其他地方產生或存在的無功功率。由于第一交流/直流轉換器是基于晶體管的，因此在第二次級側連接部處產生的干擾信號特別低。因此，串擾到第一次級側連接部的干擾信號(該信號可能對那里的輔助單元的運行產生不利影響)也相對較低。除了第一交流/直流轉換器之外，至少一個其他交流/直流轉換器(例如，第二交流/直流轉換器和/或第三交流/直流轉換器)也可以構造為基于晶體管的交流/直流轉換器。以此方式，可以按照這樣的方式運行第二交流/直流轉換器和/或第三交流/直流轉換器，使它產生補償無功功率，該補償無功功率至少部分地補償原本會存在的不希望的無功功率(例如，電網連接部處的不希望的無功功率)。

14、在供能裝置的另一個實施例中，至少一個交流/直流轉換器，也可以是每個交流/直流轉換器，可以經由具有預充電裝置的交流分離單元將其交流連接部連接到分配給它的變壓器，所述變壓器由第一多繞組變壓器和第二變壓器組成。預充電裝置用于在接通尚未充電或未完全充電的電容器時限制電流。這種預充電裝置可以是主動控制的或被動的(不受控制的)。例如，被動設計的預充電裝置可以具有由預充電電阻器和開關串聯(lián)連接的路徑，以及與該串聯(lián)連接并聯(lián)連接的另一個開關。主動控制的預充電裝置可以是例如設計為在功率流方向上以降壓方式工作的直流/直流轉換器。

15、在供能裝置的另一個實施例中，可以在每個交流/直流轉換器和直流電壓輸出之間布置直流分離單元。但是，每個直流分離單元也不必要包括預充電裝置。例如，一個直流分離單元，或者可以是多個直流分離單元，可以不具有預充電裝置。直流分離單元內的這種預充電裝置通常用于限制電解器啟動時的電流，因為電解器在其直流輸入也表現出電容性，特別是在啟動階段。在此處提供的供能裝置中，原則上只需為其中一個直流分離單元提供預充電裝置，特別是在電解器開啟時激活的直流分離單元。具有打開的直流分離單元且因此尚未導電地連接到電解器的那些交流/直流轉換器的直流連接部的電容器可以通過分配給它們的相應的交流分離單元進行預充電，該交流分離單元包括預充電裝置。在這種情況下，只有當相應的直流分離單元的兩個觸點的電位彼此非常接近，并且因此觸點之間的電壓非常低時，才能閉合與這些交流/直流轉換器相關聯(lián)的每個直流分離單元，從而可以避免在相應的直流分離單元閉合時產生高瞬時功率流。因此，一個或多個相應的直流分離單元可以設計為分別不具有預充電裝置，供能設備從而可以實現特別高的能耗效率。

16、在供能裝置中，第二變壓器也可以設計為多繞組變壓器。如果設計為多繞組變壓器的第一多繞組變壓器和第二變壓器具有相同的額定功率，則可以在供能裝置內使用多個相同的變壓器。然而，第一多繞組變壓器和第二變壓器的額定功率水平通常校準為電解器和輔助單元的額定功率，因此彼此不同。具體而言，第一多繞組變壓器的額定功率可以超過第二變壓器的額定功率。

17、供能裝置的第一多繞組變壓器可以設計成使得第二次級側連接部具有比第一次級側連接部更高的額定功率。特別地，第二次級側連接部可以具有相差至少10％、特別地至少高10％的額定功率。如果第二次級側連接部的額定功率p(2s2)是第一次級側連接部的額定功率p(2s1)的1.5至2.5倍，即1.5*p(2s1)≤p(2s2)≤2.5*p(2s1)，則特別有利。當電解器的額定功率顯著超過電解單元的所有輔助單元的額定功率時，尤其如此。

18、有利的是，第二次級側連接部的額定功率p(2s2)還可以大于第三次級側連接部的額定功率p(4s3)，并且還大于第四次級側連接部(如果存在)的額定功率p(4s4)。具體地，例如，如果第二變壓器設計為第二多繞組變壓器，則第二次級側連接部的額定功率p(2s2)可以大于另一變壓器在次級側可用的總額定功率的一半，即，p(2s2)>0.5*[p(4s3)+p(4s4)]。尤其有利的是，僅當電解器具有較高消耗并且因此僅當電解器的直流輸入存在較高的直流電壓時，分配給第二次級側連接部的第一交流/直流轉換器通過關閉相應的直流分離單元接通到電解器。

19、如果第二次級側連接部的額定功率p(2s2)超過第三次級側連接部的額定功率p(4s3)并且也超過第四次級側連接部的額定功率p(4s4)，則第二次級側連接部處的第二電壓幅度也可以大于第三電壓幅度并且也可以大于第四電壓幅度(如果存在)。這允許至少部分地通過不同的電壓幅度預設次級側連接部的不同額定功率。因此，可以補償或至少減少在較高額定電流下增加導體橫截面積所必需的材料的使用。

20、如果供能裝置的第二變壓器設計為第二多繞組變壓器，則為了使多繞組變壓器盡可能易于制造，將次級側連接部(這里是第三次級側連接部和第四次級側連接部)的額定功率設計得盡可能相同是有益的。然而，為了以盡可能低的供能裝置的轉換相關功率損耗運行電解設備，最好不要將次級側連接部的額定功率設計為相同，而是故意使其不同，因為這會在電解器的工作范圍內產生不同的直流電壓，在該工作范圍內，至少一個連接到電解器的交流/直流轉換器中盡可能高效地運行。已經發(fā)現，第三次級側連接部的額定功率p(4s3)最好設計為不同于第四次級側連接部的額定功率p(4s4)，但與第四次級側連接部的額定功率p(4s4)相差不應超過40％。具體而言因此有利的是，第三次級側連接部的額定功率p(4s3)與第四次級側連接部的額定功率p(4s4)的對應關系最高可達0.6至1.4之間的倍數(即適用以下關系：0.6*p(4s4)≤p(4s3)≤1.4*p(4s4))。

21、供能電網可以是低壓電網，其中所述供能裝置，特別是關于第一多繞組變壓器和第二變壓器的供能裝置，構造為用于連接到低壓電網。然而，如果電解器的額定功率較高，供能電網也可以是中壓電網。在這種情況下，所述供能裝置可以被設計用于連接到中壓電網。

22、在一個實施例中，第一多繞組變壓器可以構造為具有一個初級繞組和兩個單獨的(即電隔離的)次級繞組的三繞組變壓器，由此可以特別廉價地實現第一多繞組變壓器以及供能裝置。然而，從技術角度來看，四繞組變壓器提供了其次級側連接部的更好的去耦。特別地，在四繞組變壓器中，由第一交流/直流轉換器在其交流連接部處產生的干擾信號(因此存在于第二次級側連接部處)可以對第一次級側連接部產生較少的串擾。與三繞組變壓器相比，在四繞組變壓器中可以更好地抑制從第二次級側連接部到第一次級側連接部的干擾信號，從而實現對輔助單元的干擾不敏感的供電。替代地，因此，第一多繞組變壓器也可以設計為四繞組變壓器，具有兩個初級繞組和兩個單獨的(即電隔離的)次級繞組。這同樣適用于第二變壓器。

23、根據本發(fā)明的電解設備包括帶有電解器的電解單元和用于電解器的化學供應的至少一個輔助單元。電解設備還包括根據本發(fā)明的供能裝置，該供能裝置的直流電壓連接部與電解器連接，并且該供能裝置的輔助功率輸出與電解單元的至少一個輔助單元連接。這產生了與供能裝置相關的已經列出的優(yōu)點。