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特表2023-523964整流器の電圧範囲を拡張する方法、その方法を実行するための整流器、および電解システム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-06-08
(54)【発明の名称】整流器の電圧範囲を拡張する方法、その方法を実行するための整流器、および電解システム
(51)【国際特許分類】
H02M 7/12 20060101AFI20230601BHJP
C25B 1/04 20210101ALI20230601BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20230601BHJP
【ＦＩ】
H02M7/12 601A
C25B1/04
C25B9/00 A
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022565615
(86)(22)【出願日】2021-04-13
(85)【翻訳文提出日】2022-12-12
(86)【国際出願番号】 EP2021059560
(87)【国際公開番号】W WO2021219367
(87)【国際公開日】2021-11-04
(31)【優先権主張番号】102020111556.3
(32)【優先日】2020-04-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】515078095
【氏名又は名称】エスエムエイ ソーラー テクノロジー アクティエンゲゼルシャフト
【氏名又は名称原語表記】ＳＭＡ Ｓｏｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＡＧ
(74)【代理人】
【識別番号】110001302
【氏名又は名称】弁理士法人北青山インターナショナル
(72)【発明者】
【氏名】アンル，アレクサンダー
(72)【発明者】
【氏名】ユケム，ラルフ
(72)【発明者】
【氏名】ファルク，アンドレアス
(72)【発明者】
【氏名】クラトシヴィル，マルセル
(72)【発明者】
【氏名】ヘルメリング，ダーク
【テーマコード（参考）】
4K021
5H006
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021CA05
4K021DC01
4K021DC03
5H006CA01
5H006CB01
5H006CB08
5H006CC02
5H006DA04
5H006DB01
5H006DC05
(57)【要約】
本願は、整流器（１）に接続されたＡＣ供給システム（３０）から、整流器（１）のＤＣ整流器出力部（８）に接続されたＤＣ負荷（２０）に供給するための整流器（１）のＤＣ電圧範囲を拡張する方法が述べられており、ここで、－整流器（１）のＡＣ／ＤＣコンバータ（４）は、半導体スイッチ（４１）と、半導体スイッチと逆並列に接続された還流ダイオード（４２）とを有するコンバータ回路（４０）を備え、－ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）と供給システム接続点（３１）との間にインダクタンスＬが配置され、供給システム接続点を介して整流器がＡＣ供給システム（３０）に接続され、本方法が、－ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）の半導体スイッチ（４１）を作動させることによって、ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）のＤＣ出力部（４．２）および／またはＤＣ整流器出力部（８）に所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌを設定するステップを備え、－所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，ＳｏｌｌがＡＣ／ＤＣコンバータ（４）のＡＣ入力部（４．１）のＡＣ電圧の振幅Ｕ４の値を下回る場合、ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）の半導体スイッチ（４１）が、ＡＣ供給システム（３０）と無効電力Ｑ１（ｔ）を交換するように作動され、その無効電力が、ＡＣ電圧の振幅Ｕ４に対して電圧降下作用を有する。本願はさらに、本方法を実行するための整流器（１）、およびこの種の整流器（１）を含む電解システム（５０）を含む。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＡＣグリッド（３０）から、整流器（１）のＤＣ整流器出力部（８）に接続されたＤＣ負荷（２０）に供給するための整流器（１）のＤＣ電圧範囲を拡張する方法であって、前記整流器（１）のＡＣ整流器入力部（７）が、グリッド接続点（３１）を介して前記ＡＣグリッド（３０）に接続され、
－前記整流器（１）が、ＡＣ入力部（４．１）およびＤＣ出力部（４．２）を有するＡＣ／ＤＣコンバータ（４）を備え、このＡＣ／ＤＣコンバータ（４）が、半導体スイッチ（４１）と、これに逆並列配置で接続された還流ダイオード（４２）とを有するコンバータ回路（４０）を備え、
－前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）のＡＣ入力部（４．１）と前記グリッド接続点（３１）との間にインダクタンスＬが接続されており、
前記方法が、
－前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）の半導体スイッチ（４１）の作動によって、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）のＤＣ出力部（４．２）および／または前記ＤＣ整流器出力部（８）に所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌを設定するステップを備え、
－所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌが前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）のＡＣ入力部（４．１）の交流電圧の振幅Ｕ４の値を下回る場合、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）のＡＣ入力部（４．１）におけるＡＣ電圧の振幅Ｕ４に対して電圧降下作用を有する前記ＡＣグリッド（３０）との無効電力Ｑ１（ｔ）の交換のために、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）の半導体スイッチ（４１）が作動され、それにより、振幅Ｕ４が所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌに近づき、可能な限り所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌに到達し、
－前記ＡＣグリッド（３０）との無効電力Ｑ１（ｔ）の交換が、前記整流器（１）に対する前記ＤＣ負荷（２０）の電気的接続および／または電気的分離の間および／またはその直前に実行されることを特徴とする方法。
【請求項2】
請求項１に記載の方法において、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）と前記ＡＣグリッド（３０）との間で交換される無効電力Ｑ１（ｔ）が、主に変位無効電力であることを特徴とする方法。
【請求項3】
請求項１または２に記載の方法において、前記インダクタンスが、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）と前記ＡＣ整流器入力部（７）との間に配置されたフィルタリアクトル（３．１）、および／または前記整流器（１）に割り当てられた変圧器（３２）の二次側（３２．Ｓ）の変圧器巻線を含むことを特徴とする方法。
【請求項4】
請求項１～３の何れか一項に記載の方法において、所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌが電圧閾値ＵＴＨに到達するか又は超える場合、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）の半導体スイッチ（４１）が、前記ＡＣグリッド（３０）との更なる無効電力Ｑ２（ｔ）の交換のために作動され、この更なる無効電力Ｑ２（ｔ）の交換が、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）のＡＣ入力部（４．１）における振幅Ｕ４に対して電圧上昇作用を有し、その結果、振幅Ｕ４が所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌに近づくことを特徴とする方法。
【請求項5】
請求項１～４の何れか一項に記載の方法において、無効電力Ｑ１（ｔ）の交換および／または更なる無効電力Ｑ２（ｔ）の交換が、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）のＡＣ入力部（４．１）と前記ＡＣグリッド（３０）のグリッド接続点（３１）との間で交換される無効電力Ｑの関数としての既知の電圧変動特性ｕ（Ｑ）に基づいて無効電力目標値を決定することを含むことを特徴とする方法。
【請求項6】
請求項１～４の何れか一項に記載の方法において、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）のＤＣ出力部（４．２）に存在するＤＣ電圧ＵＤＣ，４の実際の値が検出され、検出された実際の値が所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌと比較され、制御ユニット（９）に接続された調整ユニット（１０）により、実際の値が所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌに近づくように、それぞれの無効電力Ｑ１，２（ｔ）の交換が制御されることを特徴とする方法。
【請求項7】
請求項１～６の何れか一項に記載の方法において、無効電力Ｑ１（ｔ）の交換および／または更なる無効電力Ｑ２（ｔ）の交換により、振幅Ｕ４の公称値に対して少なくとも１０％、好ましくは少なくとも２０％、特に好ましくは少なくとも２５％の、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）のＡＣ入力部（４．１）における振幅Ｕ４の変化が生じることを特徴とする方法。
【請求項8】
請求項１～７の何れか一項に記載の方法において、前記ＡＣ整流器入力部（７）の交流電圧の振幅Ｕ７がその公称値から逸脱しているＡＣグリッド（３０）状態の間、特定の限界条件の下で、第３の無効電力Ｑ３（ｔ）の交換が、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）と前記ＡＣグリッド（３０）との間で実行され、それにより振幅Ｕ７に対する作用がその公称値からの偏差を相殺することを特徴とする方法。
【請求項9】
請求項１～８の何れか一項に記載の方法において、所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌが、振幅Ｕ４の値に加えて、振幅Ｕ４での交流電圧の整流値もアンダーシュートする場合にのみ、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）と前記ＡＣグリッド（３０）との間の無効電力Ｑ１（ｔ）の交換が実行されることを特徴とする方法。
【請求項10】
ＡＣ電圧を有するＡＣグリッド（３０）からＤＣ負荷（２０）に給電するためのアクティブ制御される整流器（１）であって、－前記ＡＣグリッド（３０）に接続するための複数の入力端子を有するＡＣ整流器入力部（７）と、前記ＤＣ負荷（２０）に接続するための２つの出力端子を有するＤＣ整流器出力部（８）と、
－前記ＡＣ整流器入力部（７）に接続されたＡＣ側ＡＣ入力部（４．１）と、前記ＤＣ整流器出力部（８）に接続されたＤＣ側ＤＣ出力部（４．２）と、前記ＡＣ入力部（４．１）と前記ＤＣ出力部（４．２）との間に配置されたコンバータ回路（４０）とを有するＡＣ／ＤＣコンバータ（４）とを備え、
－前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）のコンバータ回路（４０）が、アクティブ制御可能な半導体スイッチ（４１）と、これに逆並列配置で接続された還流ダイオード（４２）とを備え、
－前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）が、前記ＡＣグリッド（３０）との間で無効電力Ｑ１，２（ｔ）を交換するように構成され、
－前記整流器（１）が、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）、特にその半導体スイッチ（４１）を制御するための制御ユニット（９）をさらに備え、
前記整流器（１）が、請求項１～９の何れか一項に記載の方法を実行するように構成および設計されていることを特徴とする整流器。
【請求項11】
請求項１０に記載の整流器（１）において、前記整流器（１）が、調整ユニット（１０）を備え、この調整ユニットが、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）のＤＣ出力部（４．２）および／または前記ＤＣ整流器出力部（８）に存在するＤＣ電圧ＵＤＣ，４を検出し、検出したＤＣ電圧ＵＤＣ，４を所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌと比較し、検出したＤＣ電圧ＵＤＣ，４が所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌに近づき、可能な限り所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌに達するように、前記制御ユニット（９）と協働して、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）を制御するように構成および設計されていることを特徴とする整流器。
【請求項12】
請求項１０または１１に記載の整流器（１）において、前記制御ユニット（９）が、無効電力Ｑの関数としての電圧変動特性ｕ（Ｑ）を保存するように設計されたデータメモリ（１１）を含むか、またはデータメモリ（１１）に接続されていることを特徴とする整流器。
【請求項13】
請求項１０～１２の何れか一項に記載の整流器（１）において、前記整流器（１）が、フィルタリアクトル（３．１）を有するフィルタユニット（３）をさらに備え、前記フィルタリアクトル（３．１）に公称電流Ｉ０が流れる場合に、前記ＡＣ整流器入力部（７）に存在するＡＣ電圧Ｕ７に対して少なくとも２５％、好ましくは少なくとも３５％、特に好ましくは少なくとも４５％の電圧降下が生じるように、前記フィルタリアクトル（３．１）のインピーダンスが規定されていることを特徴とする整流器。
【請求項14】
請求項１０～１３の何れか一項に記載の整流器（１）と、前記整流器（１）の出力側に接続された、ＤＣ負荷（２０）としての電解槽（２２）とを有する電解システム（５０）。
【請求項15】
請求項１４に記載の電解システム（５０）において、変圧器（３２）をさらに備え、その二次側（３２．Ｓ）が前記ＡＣ整流器入力部（７）に接続され、その一次側（３２．Ｐ）がグリッド接続点（３１）を介して前記ＡＣグリッド（３０）に接続されていることを特徴とする電解システム。
【請求項16】
請求項１５に記載の電解システム（５０）において、グリッド上の反応を低減するための適切な無効電力補償設備をさらに備え、この無効電力補償設備が、前記変圧器（３２）の一次側（３２．Ｐ）で前記ＡＣグリッド（３０）に接続され、前記ＡＣ／ＤＣコンバータ（４）によって前記ＡＣグリッド（３０）と交換される無効電力Ｑ１（ｔ）および／または更なる無効電力Ｑ２（ｔ）に対するシンクとして機能することを特徴とする電解システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、整流器のＤＣ電圧範囲を拡張する方法、その方法を実行するための整流器、およびそのような整流器を有する電解システムに関する。
【背景技術】
【0002】
水素は、電解槽において、水をその構成物質である水素と酸素に分解する電解反応によって製造することができる。電解反応の速度は、電解槽の入力部に印加されるＤＣ電圧によって設定される。ＤＣ電圧は通常、整流器によって生成され、整流器の入力側は交流電圧（ＡＣ）グリッドに、出力側は電解槽の形態のＤＣ負荷に接続される。多くの場合、アクティブ制御される一段整流器が整流器として採用される。整流器に割り当てられるＡＣ／ＤＣコンバータのコンバータ回路は、複数の半導体スイッチを含み、その各々が還流ダイオードを含み、還流ダイオードが、逆並列配置でそれぞれの半導体スイッチに接続される。逆並列に接続された還流ダイオードにより、ＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣ出力部における最小ＤＣ電圧は、ＡＣ／ＤＣコンバータの入力側に印加される交流電圧の振幅の値に制限される。すなわち、ＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣ出力部の最小ＤＣ電圧は、ＡＣ／ＤＣコンバータに印加される入力側の交流電圧の振幅に対応する。これは、ＤＣ出力の電圧リップルを無視できる程度にＤＣ電圧の平滑化動作を実行する、ＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣ出力部に少なくとも主に容量性ＤＣ負荷がある場合に当てはまる。ＤＣ負荷のオーミック成分が大きくなると、ＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣ出力部の電圧リップルがより顕著になり、最小ＤＣ電圧が僅かに小さい値に変位する。この場合、ＤＣ出力部の最小ＤＣ電圧は、通常、「整流値」で表される。整流値は、整流されたＤＣ電圧の算術平均に対応し、採用される整流器、特にそのＡＣ／ＤＣコンバータのそれぞれのトポロジーに依存する。
【0003】
従来の電解槽は、通常、電流電圧特性曲線（Ｉ－Ｕ曲線）によって特徴付けられる。Ｉ－Ｕ曲線は２つの領域に分けられる。電解槽の入力部に存在するＤＣ電圧が臨界電圧Ｕｃｒを下回る場合、電解反応はまだ進行しておらず、よって定常電流は流れていない。電解槽は主に容量性応答を示し、これは電解槽内の二重層の構成に関連している。臨界電圧Ｕｃｒを超えた場合にのみ電解反応が起こり、ＤＣ電圧の上昇に連れてその速度が速くなる。この領域では、電解反応を促進する定常電流が流れ、電解槽は主にここでオーミック負荷として動作する。最大許容ＤＣ電圧ＵＤＣ，ｍａｘは、電解槽の定格容量または部品特性によって制限される。臨界電圧Ｕｃｒと最大許容ＤＣ電圧ＵＤＣ，ｍａｘの値は、電解槽の設計に依存し、その結果、通常はタイプごとに異なる。
【0004】
一般に、電解槽は整流器によって、無段階に調整することができ、入力部に印加されるＤＣ電圧の動作範囲全体にわたって動作可能であることが望ましいが、少なくとも臨界電圧Ｕｃｒよりも僅かに低い電圧から最大許容ＤＣ電圧ＵＤＣ，ｍａｘまでの範囲で動作可能である必要がある。さらに、整流器での変換損失を最小限に抑えながら、電解槽の入力部で高い反応速度、それに付随する高いＤＣ電圧を発生させることが望ましい。一段整流器では、ＤＣ整流器出力部に臨界電圧Ｕｃｒを下回るＤＣ電圧のみを発生させるために、コンバータ回路のＡＣ入力部の交流電圧の振幅を、例えば変圧器によって、対応する低い値に調整することができる。しかしながら、これは、電解槽の運転中にＤＣ整流器出力部に高いＤＣ電圧が要求される場合に、高い変換損失をもたらす。
【0005】
先行技術、例えば文献ＷＯ２０１３／１６０４８６Ａ２により、回生発電設備がＡＣグリッドに接続されるＡＣグリッドのノード点において電圧補正を行う方法が知られている。交流電圧の振幅がその指定された公称値から逸脱した場合、回生発電設備とＡＣグリッドとの間で無効電力が交換される。こうして交換された無効電力は、偏差を最小化するために、グリッドシステムをサポートする形で偏差を打ち消す。
【0006】
文献ＤＥ１０３０３７１０Ａ１は、ＤＣ電圧出力部を有する自己整流ラインコンバータを、ライン過電圧の場合に調整する方法を開示している。この方法では、特定されたライン過電圧の値に従って、ライン電流の無効成分の目標値が規定され、これにより、自己整流ラインコンバータのデューティサイクルの実際の値が低減される。
【発明の概要】
【0007】
本発明の目的
本発明の目的は、アクティブ制御整流器のＤＣ電圧範囲を拡張するための方法、特に、たとえ臨界電圧が交流電圧の振幅に対する公称値をアンダーシュートする場合においても、臨界電圧Ｕｃｒより僅かに低い値で最初に設定されるＤＣ電圧を一段整流器のＤＣ出力部に有する一段整流器のＤＣ電圧範囲を拡張するための方法を開示することである。さらに、最小限の変換損失で、ＤＣ整流器出力部に高いＤＣ電圧を設定することができる必要がある。この方法は、実行するのに可能な限り簡単で、費用対効果が高いものであることが意図されている。本発明の更なる目的は、本方法を実行するための適切な整流器を開示すること、並びに、そのような整流器を有する電解システムを開示することである。
本発明の目的は、アクティブ制御整流器のＤＣ電圧範囲を拡張するための方法、特に、たとえ臨界電圧が交流電圧の振幅に対する公称値をアンダーシュートする場合においても、臨界電圧Ｕｃｒより僅かに低い値で最初に設定されるＤＣ電圧を一段整流器のＤＣ出力部に有する一段整流器のＤＣ電圧範囲を拡張するための方法を開示することである。さらに、最小限の変換損失で、ＤＣ整流器出力部に高いＤＣ電圧を設定することができる必要がある。この方法は、実行するのに可能な限り簡単で、費用対効果が高いものであることが意図されている。本発明の更なる目的は、本方法を実行するための適切な整流器を開示すること、並びに、そのような整流器を有する電解システムを開示することである。
【0008】
解決手段
本発明によれば、この目的は、独立特許請求項１の特徴を有する、上述したタイプの方法によって達成される。本発明によれば、この方法を実行するための適切な整流器を開示する目的は、独立特許請求項１０の特徴によって満たされる。本発明によれば、このタイプの整流器を有する電解システムを開示する目的は、独立特許請求項１４の特徴によって満たされる。本方法の有利な態様は請求項２～９に記載され、整流器の有利な実施形態は請求項１１～１３に記載されている。電解システムの有利な実施形態は、請求項１５および１６に示されている。
本発明によれば、この目的は、独立特許請求項１の特徴を有する、上述したタイプの方法によって達成される。本発明によれば、この方法を実行するための適切な整流器を開示する目的は、独立特許請求項１０の特徴によって満たされる。本発明によれば、このタイプの整流器を有する電解システムを開示する目的は、独立特許請求項１４の特徴によって満たされる。本方法の有利な態様は請求項２～９に記載され、整流器の有利な実施形態は請求項１１～１３に記載されている。電解システムの有利な実施形態は、請求項１５および１６に示されている。
【0009】
本発明の説明
本発明に係る方法は、交流電圧（ＡＣ）グリッドから、ＤＣ整流器出力部に接続されたＤＣ負荷に供給するのための整流器のＤＣ電圧範囲を拡張することを目的とし、整流器のＡＣ整流器入力部がグリッド接続点を介してＡＣグリッドに接続されている。整流器は、ＡＣ入力部とＤＣ出力部を有するＡＣ／ＤＣコンバータを備え、このＡＣ／ＤＣコンバータが、半導体スイッチとこれに逆並列に接続された還流ダイオードとを有するコンバータ回路を備える。ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部は、任意選択的にＡＣ分離ユニットを介して、ＡＣ整流器入力部に接続され、ＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣ出力部は、任意選択的にＤＣ分離ユニットを介して、ＤＣ整流器出力部に接続されている。ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部とグリッド接続点との間にはインダクタンスＬが配置されている。本方法は、
－ＡＣ／ＤＣコンバータの半導体スイッチの作動により、ＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣ出力部および／またはＤＣ整流器出力部に所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌを設定するステップを含み、
－所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，ＳｏｌｌがＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部の交流電圧の振幅Ｕ４の値を下回る場合、ＡＣ／ＤＣコンバータの半導体スイッチがＡＣグリッドとの無効電力Ｑ１（ｔ）の交換のために作動され、この無効電力Ｑ１（ｔ）の交換が、ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部の振幅Ｕ４、ひいてはコンバータ回路のＡＣ入力部に対する電圧降下作用を有する。電圧降下作用により、交流電圧の振幅Ｕ４は所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌに近づく。所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌへの振幅Ｕ４の接近は、（例えばＡＣグリッドのオペレータにより発せられる指示に従う、ＡＣグリッドとの許容される無効電力の交換が、この接近を制限しない限り）、所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌも達成されるように行われる。ＡＣグリッドとの無効電力Ｑ１（ｔ）の交換は、整流器との間のＤＣ負荷の電気的接続および／または電気的分離と同時に実行される。
本発明に係る方法は、交流電圧（ＡＣ）グリッドから、ＤＣ整流器出力部に接続されたＤＣ負荷に供給するのための整流器のＤＣ電圧範囲を拡張することを目的とし、整流器のＡＣ整流器入力部がグリッド接続点を介してＡＣグリッドに接続されている。整流器は、ＡＣ入力部とＤＣ出力部を有するＡＣ／ＤＣコンバータを備え、このＡＣ／ＤＣコンバータが、半導体スイッチとこれに逆並列に接続された還流ダイオードとを有するコンバータ回路を備える。ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部は、任意選択的にＡＣ分離ユニットを介して、ＡＣ整流器入力部に接続され、ＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣ出力部は、任意選択的にＤＣ分離ユニットを介して、ＤＣ整流器出力部に接続されている。ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部とグリッド接続点との間にはインダクタンスＬが配置されている。本方法は、
－ＡＣ／ＤＣコンバータの半導体スイッチの作動により、ＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣ出力部および／またはＤＣ整流器出力部に所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌを設定するステップを含み、
－所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，ＳｏｌｌがＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部の交流電圧の振幅Ｕ４の値を下回る場合、ＡＣ／ＤＣコンバータの半導体スイッチがＡＣグリッドとの無効電力Ｑ１（ｔ）の交換のために作動され、この無効電力Ｑ１（ｔ）の交換が、ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部の振幅Ｕ４、ひいてはコンバータ回路のＡＣ入力部に対する電圧降下作用を有する。電圧降下作用により、交流電圧の振幅Ｕ４は所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌに近づく。所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌへの振幅Ｕ４の接近は、（例えばＡＣグリッドのオペレータにより発せられる指示に従う、ＡＣグリッドとの許容される無効電力の交換が、この接近を制限しない限り）、所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌも達成されるように行われる。ＡＣグリッドとの無効電力Ｑ１（ｔ）の交換は、整流器との間のＤＣ負荷の電気的接続および／または電気的分離と同時に実行される。
【0010】
ここでは、「と同時に」という用語は、「最中および／または直前に」という意味で理解されるべきものである。特に、整流器は、ＡＣ／ＤＣコンバータとＤＣ整流器出力部との間に配置されるＤＣ／ＤＣコンバータを有しない一段整流器とすることができる。整流器は、ＡＣ側に１つの相端子のみを含むことができるが、代替的には、複数の相端子を含むことも可能である。ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部はコンバータ回路のＡＣ入力部に対応するが、後者に少なくとも低インピーダンス構成で接続されているため、ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部に加わる振幅Ｕ４も、コンバータ回路のＡＣ入力部に加わる振幅に対応する。
【0011】
ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部に印加されるＡＣ電圧の振幅Ｕ４と整流器のＡＣ整流器入力部に印加されるＡＣ電圧の振幅Ｕ７は、変圧器の中性点またはスター点に対する相導体の優勢な交流電圧の振幅、すなわち相－中性間電圧の振幅をそれぞれ含むことができる。これは、ＡＣ／ＤＣコンバータのコンバータ回路が星形結線回路の形態で構成されている場合に、特に当てはまる。この場合、ＤＣ出力部の出力端子は変圧器の中性点、またはＡＣグリッドの中性導体に接続することができる。代替的には、ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部に印加されるＡＣ電圧の振幅Ｕ４は、ＡＣグリッドの２相導体間で優勢なＡＣ電圧の振幅、すなわち連系電圧の振幅とすることもできる。このため、整流器のＡＣ整流器入力部に印加されるＡＣ電圧の振幅Ｕ７も同様である。これは、ＡＣ／ＤＣコンバータのコンバータ回路が「ブリッジ回路」の形態で構成されている場合に、特に当てはまる。この場合、電流はＡＣグリッドの相導体間のみを流れるため、中性点タップを持つ変圧器の要件は全くない。例えば、三相ＡＣグリッドにおいて、中性点電圧および連系電圧の振幅は、連系係数√３によって相互に関連付けられる。
【0012】
本発明に係る方法は、インダクタンスＬの介在配置を介した、ＡＣ／ＤＣコンバータとＡＣグリッドとの間の無効電力の交換により、ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部に印加されるＡＣ電圧の振幅Ｕ４が変動するという知見を利用する。具体的には、ＡＣ電圧の振幅Ｕ４は、一タイプの無効電力、例えば誘導性無効電力の交換によって減少させることができ、一方、相補的なタイプの無効電力、例えば容量性無効電力の交換によって増加させることができる。本発明において、無効電力Ｑ１（ｔ）の交換は、コンバータ回路のＤＣ出力部のＤＣ電圧に影響を与え、それによりＤＣ分離ユニットが閉じている場合にＤＣ整流器出力部のＤＣ電圧にも影響を与えるべく、交流電圧の振幅Ｕ４を変化させるために意図的に用いられる。例えば、ＤＣ整流器出力部（ひいてはＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣ出力部）に、ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部のＡＣ電圧の振幅Ｕ４より低いＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌを設定しようとした場合、ＡＣグリッドとの無効電力Ｑ１（ｔ）の短期間の交換が実行される。無効電力Ｑ１（ｔ）に付随する電流は、インダクタンスＬを流れ、ＡＣ電圧の振幅Ｕ４に電圧降下作用をもたらす。これにより、ＡＣ／ＤＣコンバータに印加されるＡＣ電圧の振幅Ｕ４が減少する。減少した振幅Ｕ４は、コンバータ回路の還流ダイオードを介して、コンバータ回路のＤＣ出力部、つまりＤＣ整流器出力部に同様に減少した値のＤＣ電圧を生成する。交換される無効電力Ｑ１（ｔ）の量によって、元の振幅Ｕ４、すなわち無効電力の交換前と比較して、振幅Ｕ４の減少率または増加率を設定することが可能である。無効電力Ｑ１（ｔ）の短期間の交換は、ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部の振幅Ｕ４、ひいてはＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣ出力部のＤＣ電圧が、所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌに近づくように実行され、（無効電力Ｑ１（ｔ）の最大可能または許容交換に応じて）所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌも達成されることになる。
【0013】
既知の先行技術とは異なり、ＡＣ／ＤＣコンバータとＡＣグリッドとの間の無効電力Ｑ１（ｔ）の交換は、ＡＣ電圧の振幅の既存の偏差を打ち消してＡＣグリッドをサポートするという目的で実行されるものではない。この場合、先行技術とは異なり、無効電力Ｑ１（ｔ）の交換の目的は、少なくとも一時的に、その公称値から振幅Ｕ４を意図的に逸脱させることである。結果として生じる公称値からの振幅の意図的な偏差は、本発明によれば、ＤＣ負荷、特に電解槽を、少なくとも一時的に、その入力部において、他の場合よりも低いＤＣ電圧で動作させるために用いられる。したがって、ＤＣ電圧の短期的な変化、この場合はＤＣ電圧の低下が、無効電力Ｑ１（ｔ）の交換の実際の目的である。これは、整流器とのＤＣ負荷、特に電解槽の接続または分離のために可能な限り負荷のない配置を提供し、それにより分離ユニットおよび電解槽の保護動作が可能になる。
【0014】
本発明によれば、無効電力Ｑ１（ｔ）の交換は、整流器へのＤＣ負荷の接続中かつ／またはその直前に実行される。整流器へのＤＣ負荷の電気的接続の後、特にその直後に、ＡＣグリッドとの無効電力Ｑ１（ｔ）の更なる交換を実行することが可能であるが、必ずしも必要ではない。具体的には、ＤＣ負荷が電解槽である場合、電解槽の入力部における電圧は臨界電圧Ｕｃｒよりも僅かに低い値まで下げることができる。その結果、整流器との間の電解槽の接続および分離は、それぞれの分離ユニットに対して可能な限り無負荷で保護的な方法で実行されることができる。電解反応の制御された緩やかな開始および／または終了は、交換される無効電力Ｑ１（ｔ）の変化によっても達成され得る。具体的には、電解反応の開始時に、変換される有効電力Ｐ（ｔ）が同時に増加する一方で、無効電力Ｑ１（ｔ）の交換を減少させることができる。これと同様に、電解反応の終了時には、変換される有効電力が減少する一方で、無効電力の交換を同時に増加させて、ＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣ出力部におけるＤＣ電圧をさらに低下させることができる。さらに、整流器からＤＣ負荷を分離した後、特にその直後に、ＡＣグリッドとの無効電力Ｑ１（ｔ）の更なる交換を実行することが可能であるが、必ずしも必要というわけではない。このため、例えば、ＡＣグリッドとの無効電力Ｑ１（ｔ）の交換は、特に安定した制御された方法で、例えば制御された下方傾斜によって、減少させることができる。このようにして、ＡＣグリッドと交換される無効電力Ｑ１（ｔ）の急激な変化、および結果としてＡＣグリッドで生じる望ましくない反応を防止することができる。
【0015】
インダクタンスＬは、少なくともある程度は通常存在する整流器の構成要素である。具体的に、ここで検討されている整流器では、高周波干渉信号の減衰のために、ＡＣ整流器入力部とＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部との間にフィルタが設けられ、このフィルタが１または複数のフィルタリアクトルを備える。多くの場合、１または複数のフィルタリアクトルは、インダクタンスＬの要素として、適合なしで、または少なくとも僅かな適合のみで採用することができ、このインダクタンスを介して、ＡＣグリッドとの無効電力Ｑ１（ｔ）の交換が実行される。このため、多くの場合、追加のハードウェアは全く必要ないか、または限られた範囲でしか必要ない。同様に、コンバータ回路の半導体スイッチに関しても、無効電力Ｑ１（ｔ）の交換のためのハードウェアの適応に関する要件はなく、ソフトウェアのデューティサイクルを調整する必要があるだけである。全体として、これは、本発明に係る方法を実行するために、相対的に費用対効果の高い、従来の整流器の複雑でない適合をもたらすことができる。
【0016】
本方法の有利な一態様では、ＡＣ／ＤＣコンバータとＡＣグリッドとの間で交換される無効電力Ｑ１（ｔ）が、実質的に変位無効電力のみであるが、少なくともほとんどが変位無効電力である。したがって、歪み無効電力の成分は含まれないか、または不可避的な成分のみが含まれる。このため、無効電力Ｑ１（ｔ）の交換があっても、交流電圧の所望の正弦波が維持されることが保証される。
【0017】
本方法の更なる態様では、ＡＣ／ＤＣコンバータとＡＣグリッドとの間の無効電力Ｑ１（ｔ）の交換は、所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，ｓｏｌｌが特定の差分値だけ振幅Ｕ４の値を下回る場合にのみ可能である。例えば、所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，ｓｏｌｌが、振幅Ｕ４の値に加えて、振幅Ｕ４における交流電圧の整流値もアンダーシュートしている場合、無効電力の交換を進めることができる。このようにして、ＤＣ負荷が主にオーミック成分を有する場合、無効電力Ｑ１（ｔ）の不要な交換、およびグリッドにおける関連する望ましくない反応を低減することができる。
【0018】
本発明の更なる態様によれば、無効電力Ｑ１（ｔ）の交換は、ＡＣ電圧の振幅Ｕ４の減少のためだけでなく、増加のためにも使用される。後者の場合、ＤＣ負荷の特定の動作状況において、例えば所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌが電圧閾値ＵＴＨに達するか、またはそれを超える場合、ＡＣ／ＤＣコンバータの半導体スイッチは、ＡＣグリッドとの更なる無効電力Ｑ２（ｔ）の交換のために作動され、更なる無効電力Ｑ２（ｔ）の交換が、コンバータ回路のＡＣ入力部での振幅Ｕ４に電圧上昇作用をもたらすものとされる。このようにして、ここでも所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌの振幅Ｕ４に近づけることができる。なお、更なる無効電力Ｑ２（ｔ）は、無効電力Ｑ１（ｔ）の相補型とすることができる。すなわち、無効電力Ｑ１（ｔ）が誘導性無効電力である場合、更なる無効電力Ｑ２（ｔ）は容量性無効電力とすることができ、その逆もまた可能である。この場合、ＡＣ／ＤＣコンバータによって、ＡＣ電圧の整流と同時に、ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ出力部に存在するＤＣ電圧の僅かな昇圧が必要とされる。全体として、これによりＡＣ／ＤＣコンバータの変換損失を低減することができる。
【0019】
無効電力Ｑ１（ｔ）の交換および／または更なる無効電力Ｑ２（ｔ）の交換は、ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部とＡＣグリッドのグリッド接続点との間で交換される無効電力Ｑの関数としての既知の電圧変動特性ｕ（Ｑ）に基づいて、無効電力目標値を決定することを含むことができる。具体的には、既知の電圧変動特性ｕ（Ｑ）との関係を、例えば１回限りで決定し、整流器の制御ユニットに接続されたデータメモリに保存することが可能である。代替的には、無効電力Ｑ１（ｔ）の交換および／または更なる無効電力Ｑ２（ｔ）の交換を、制御ユニットに接続された調整ユニットによって、それぞれ適応的に実行することが可能である。ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ出力部に存在するＤＣ電圧ＵＤＣ，４の実際の値が検出され、検出された実際の値が所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌと比較され、実際の値が所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌに近づくようにそれぞれの無効電力Ｑ１，２（ｔ）の交換が調整されることが可能である。調整ユニットは、比例コントローラ、積分コントローラおよび／または微分コントローラを含むことができる。
【0020】
無効電力Ｑ１（ｔ）の交換および／または更なる無効電力Ｑ２（ｔ）の交換が、既知の電圧変動特性ｕ（Ｑ）により実行されるか、または調整ユニットにより適応的に実行されるかにかかわらず、無効電力Ｑ１（ｔ）の交換および／または更なる無効電力Ｑ２（ｔ）の交換は、ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部における振幅Ｕ４の公称値に対して、少なくとも１０％、好ましくは少なくとも２０％、特に好ましくは少なくとも２５％の振幅Ｕ４の変化をもたらすことができる。振幅Ｕ４の対応する変化を発生させるために必要な交換される無効電力Ｑ１，２（ｔ）の量は、ＡＣ／ＤＣコンバータとグリッド接続点との間のインダクタンスＬの値に依存する。ここでは、振幅Ｕ４の公称値は、ＡＣ／ＤＣコンバータとＡＣグリッドとの間で無効電力Ｑ１，２（ｔ）の交換がない場合に、ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部に存在することとなる振幅Ｕ４の値として理解される。
【0021】
本方法の有利な態様では、特定の限界条件下で、例えば電圧安定性のために、ＡＣ／ＤＣコンバータとＡＣグリッドとの間の無効電力のグリッドサービス交換を実行することができる。具体的には、ＡＣ整流器入力部の交流電圧の振幅Ｕ７がその公称値から逸脱しているＡＣグリッド状態の間、ＡＣ／ＤＣコンバータとＡＣグリッドとの間で第３の無効電力Ｑ３（ｔ）の交換を実行し、第３の無効電力Ｑ３（ｔ）の質に応じて、ＡＣ電圧の振幅Ｕ７に電圧降下または電圧上昇の作用をもたらすことができる。電圧安定性のために、第３の無効電力Ｑ３（ｔ）は、振幅Ｕ７への結果として生じる作用がその公称値からの偏差を打ち消すように選択される。指定された限界条件は、リップル制御信号および／またはＡＣグリッドのオペレータとの契約上の合意を含むことができる。
【0022】
本方法の一実施形態によれば、インダクタンスは、ＡＣ／ＤＣコンバータとＡＣ整流器入力部との間に配置されたフィルタリアクトルを含むことができ、このフィルタリアクトルを介して、無効電力Ｑ１（ｔ）および／または更なる無効電力Ｑ２（ｔ）がＡＣグリッドと交換される。代替的または追加的には、インダクタンスは、整流器に割り当てられた変圧器の二次側の変圧器巻線を含むことができる。これは、整流器が変圧器を介してＡＣグリッドに接続され、整流器が変圧器の二次側に接続され、ＡＣグリッドが変圧器の一次側に接続されている場合に特に当てはまる。このタイプの構成では、ＡＣグリッド、すなわち変圧器の一次側に、無効電力補償に適した少なくとも１の追加の設備がさらに接続され、それが、ＡＣ／ＤＣコンバータによってＡＣグリッドと交換される無効電力Ｑ１（ｔ）および／または更なる無効電力Ｑ２（ｔ）のためのシンクとして機能することが可能である。無効電力補償のための適切な設備は、整流器と協働して制御することができ、それにより、ＡＣグリッドとのその無効電力の交換が実行される。追加の設備がＡＣ／ＤＣコンバータによりＡＣグリッドと交換される無効電力のシンクとして機能するため、無効電力の交換に伴うＡＣグリッドにおける反応をなくすか、少なくとも低減することができる。このため、ＡＣグリッドのオペレータは、必要な無効電力補償を実行するための追加の設備を確保する必要がない。よって、ＡＣグリッドと交換される無効電力の許容成分は、任意選択的に増加させることができる。
【0023】
本発明に係る整流器は、ＡＣ電圧を有するＡＣグリッドからＤＣ負荷に給電するように構成されたアクティブ制御整流器によって構成されている。この整流器は、
－ＡＣグリッドに接続するための複数の入力端子を有するＡＣ整流器入力部、およびＤＣ負荷に接続するための２つの出力端子を有するＤＣ整流器出力部と、
－ＡＣ整流器入力部に接続されたＡＣ入力部、ＤＣ整流器出力部に接続されたＤＣ出力部、およびＡＣ入力部とＤＣ出力部との間に配置されたコンバータ回路を含むＡＣ／ＤＣコンバータとを備える。ＡＣ／ＤＣコンバータのコンバータ回路は、アクティブ制御可能な半導体スイッチと、それに逆並列配置で接続された還流ダイオードとを備える。ＡＣ／ＤＣコンバータは、整流機能に加えて、ＡＣグリッドと無効電力Ｑ１，２（ｔ）を交換するようにさらに構成および設計されている。整流器は、ＡＣ／ＤＣコンバータ、特にその半導体スイッチを制御するための制御ユニットをさらに含む。整流器は、本発明に係る方法を実行するように構成および設計されていることを特徴とする。
－ＡＣグリッドに接続するための複数の入力端子を有するＡＣ整流器入力部、およびＤＣ負荷に接続するための２つの出力端子を有するＤＣ整流器出力部と、
－ＡＣ整流器入力部に接続されたＡＣ入力部、ＤＣ整流器出力部に接続されたＤＣ出力部、およびＡＣ入力部とＤＣ出力部との間に配置されたコンバータ回路を含むＡＣ／ＤＣコンバータとを備える。ＡＣ／ＤＣコンバータのコンバータ回路は、アクティブ制御可能な半導体スイッチと、それに逆並列配置で接続された還流ダイオードとを備える。ＡＣ／ＤＣコンバータは、整流機能に加えて、ＡＣグリッドと無効電力Ｑ１，２（ｔ）を交換するようにさらに構成および設計されている。整流器は、ＡＣ／ＤＣコンバータ、特にその半導体スイッチを制御するための制御ユニットをさらに含む。整流器は、本発明に係る方法を実行するように構成および設計されていることを特徴とする。
【0024】
整流器の複数の入力端子は、１つのみの相端子と中性導体端子とを備えることができる。しかしながら、代替的には、それらは、複数の相端子を含み、かつ、中性導体端子を含まないか、または１つの中性導体端子を含むことも可能である。本方法に関する上述した利点がそれに応じて適用される。
【0025】
有利な一実施形態によれば、整流器は、調整ユニットを備え、この調整ユニットは、ＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣ出力部のＤＣ電圧が所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌに近づくように、可能であれば、ＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌに到達するまで、制御ユニットと協働して、ＡＣグリッドと交換される無効電力Ｑ１（ｔ）と、任意選択的には更なる無効電力Ｑ２（ｔ）とを設定するように構成および設計されている。具体的には、調整ユニットは、
－ＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣ出力部および／またはＤＣ整流器出力部に存在するＤＣ電圧ＵＤＣ，４を検出し、
－検出したＤＣ電圧ＵＤＣ，４と所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌを比較し、
－検出したＤＣ電圧ＵＤＣ，４が所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌに近づき、可能な限り所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌに到達するように、制御ユニットと協働してＡＣ／ＤＣコンバータを制御するように構成および設計されることができる。このようにして、ＡＣ／ＤＣコンバータは、事前の特定と、任意選択的にはその保存とを必要とせずに、ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部とグリッド接続点との間に現在存在する電圧変動特性ｕ（Ｑ）に対して、適応的に応答することができる。しかしながら、代替的には、無効電力Ｑの関数として電圧変動特性ｕ（Ｑ）を事前に特定し、こうして特定した電圧変動特性ｕ（Ｑ）に従って、ＡＣグリッドと交換される無効電力Ｑ１（ｔ）および／または更なる無効電力Ｑ２（ｔ）を設定することも可能である。この目的のために、整流器の制御ユニットは、先に規定された電圧変動特性ｕ（Ｑ）を反映する特定された値のペアを保存するように設計されたデータメモリを含むことができ、またはそのようなデータメモリに接続することができる。
－ＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣ出力部および／またはＤＣ整流器出力部に存在するＤＣ電圧ＵＤＣ，４を検出し、
－検出したＤＣ電圧ＵＤＣ，４と所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌを比較し、
－検出したＤＣ電圧ＵＤＣ，４が所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌに近づき、可能な限り所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌに到達するように、制御ユニットと協働してＡＣ／ＤＣコンバータを制御するように構成および設計されることができる。このようにして、ＡＣ／ＤＣコンバータは、事前の特定と、任意選択的にはその保存とを必要とせずに、ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部とグリッド接続点との間に現在存在する電圧変動特性ｕ（Ｑ）に対して、適応的に応答することができる。しかしながら、代替的には、無効電力Ｑの関数として電圧変動特性ｕ（Ｑ）を事前に特定し、こうして特定した電圧変動特性ｕ（Ｑ）に従って、ＡＣグリッドと交換される無効電力Ｑ１（ｔ）および／または更なる無効電力Ｑ２（ｔ）を設定することも可能である。この目的のために、整流器の制御ユニットは、先に規定された電圧変動特性ｕ（Ｑ）を反映する特定された値のペアを保存するように設計されたデータメモリを含むことができ、またはそのようなデータメモリに接続することができる。
【0026】
有利な一実施形態では、整流器が、１または複数のフィルタリアクトルを有するフィルタユニットを含むことができる。少なくとも１のフィルタリアクトルは、ＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部とＡＣ整流器入力部との間に配置することができる。したがって、それは、インダクタンスの少なくとも一要素を構成し、それを介して、無効電力Ｑ１（ｔ）および／または更なる無効電力Ｑ２（ｔ）がＡＣグリッドと交換される。有利には、整流器のフィルタリアクトルに公称電流Ｉ０が流れる場合に、ＡＣ整流器入力部に存在するＡＣ電圧に対して、少なくとも２５％、好ましくは少なくとも３５％、特に好ましくは少なくとも４５％の電圧降下が生じるように、フィルタリアクトルのインピーダンスを規定することが可能である。フィルタリアクトルのインピーダンス、ひいてはインダクタンスＬは、ＤＣ側で短絡が生じた場合の追加の電流制限とともに、無効電力Ｑ１，２（ｔ）の交換によって、先ずは、振幅に対する特に有効な電圧低減作用が得られるように設定されている。この追加的な電流制限により、ＤＣ負荷の短絡時にコンバータ回路の還流ダイオードが損傷を受けるリスクを最小限に抑えることができる。
【0027】
本発明に係る電解システムは、本発明に係る整流器と、この整流器の出力側に接続されたＤＣ負荷としての電解槽とを備える。電解システムは、変圧器をさらに備えることができ、この変圧器は、その二次側がＡＣ整流器入力部に接続され、その一次側がグリッド接続点を介してＡＣグリッドに接続されている。電解システムは、変圧器を含む場合、グリッド上の反応を低減するための適切な無効電力補償設備もさらに備えることができる。適切な無効電力補償設備は、変圧器の一次側でＡＣグリッドに接続され、ＡＣ／ＤＣコンバータによってＡＣグリッドと交換される無効電力Ｑ１（ｔ）および／または更なる無効電力Ｑ２（ｔ）に対するシンクとして機能する。ここでもまた、本方法に関して説明した上述の利点が適用される。
【図面の簡単な説明】
【0028】
以下、図面を参照しながら本発明を説明する。
【発明を実施するための形態】
【0029】
図１は、本発明に係る電解システム５０の一実施形態を示している。電解システム５０は、ＤＣ負荷２０としての電解槽２２と、本発明に係る整流器１と、変圧器３２とを備える。変圧器３２は、その一次側３２．Ｐが、グリッド接続点３１を介して交流電圧（ＡＣ）グリッド３０に接続されている。変圧器３２の二次側３２．Ｓは、整流器１のＡＣ整流器入力部７に接続されている。変圧器３２は、振幅ＵＮｅｔｚの一次側ＡＣ電圧を、二次側およびＡＣ整流器入力部７の両方に存在する振幅Ｕ７のＡＣ電圧に変換する。整流器１のＤＣ整流器出力部８は電解槽２２の入力部２１に接続されている。
【0030】
整流器１は、ＤＣ電圧ＵＤＣ，Ｌａｓｔを電解槽２２に供給するために、入力側に存在するＡＣ電圧をＤＣ整流器出力部８に存在するＤＣ電圧に変換するように設計されたアクティブ制御可能な整流器である。この目的のために、整流器１は、ＡＣ入力部４．１とＤＣ出力部４．２を有するＡＣ／ＤＣコンバータ４を含み、これが制御ユニット９によって制御される。ＡＣ入力部４．１は、フィルタユニット３を介してフィルタリアクトル３．１およびフィルタキャパシタンス３．２に接続され、さらにＡＣ分離ユニット２を介してＡＣ整流器入力部７に接続されている。ＤＣ出力部４．２は、ＤＣ分離ユニット６を介してＤＣ整流器出力部８に接続されている。ＤＣ出力部４．２と並列に、ＤＣ出力部４．２に存在するＤＣ電圧ＵＤＣ，４を平滑化するための出力キャパシタンス５が接続されている。ＤＣ分離ユニット６は、２つの電流経路を含み、それらは互いに並列に配置されている。第１の電流経路は、プリチャージ抵抗器および分離スイッチの直列接続された配置を含み、電解槽２２のプリチャージに用いられる。これと並列に配置される第２の電流経路は、更なる分離スイッチのみを含む。プリチャージに加えて、電解槽２２はそのオーミック範囲で動作し、閉じた更なる分離スイッチは、ＡＣ／ＤＣコンバータ４のＤＣ出力部４．２と電解槽２２との間に低インピーダンスの電気的接続を形成する。ＤＣ分離ユニット２およびＡＣ分離ユニット６の両方は、整流器１の制御ユニット９によって作動される。
【0031】
本発明に係る整流器１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ４の半導体スイッチの対応する動作によって、変圧器３２を介して、ＡＣグリッド３０と無効電力Ｑ１，２（ｔ）を交換するように構成されている。無効電力Ｑ１，２（ｔ）に付随する電流は、図１に示す例では、フィルタユニット３のフィルタリアクトル３．１および変圧器３２の二次側３２．Ｓの巻線によって形成されるインダクタンスＬを介して流れる。無効電力Ｑ１，２（ｔ）は、実質的に変位無効電力のみであるが、少なくともほとんどが変位無効電力である。無効電力Ｑ１，２（ｔ）の交換は、図２および図３を参照してより詳細に説明するように、無効電力Ｑ１，２（ｔ）のタイプに応じて、ＡＣ／ＤＣコンバータ４のＡＣ入力部４．１に印加されるＡＣ電圧の振幅Ｕ４に対して電圧降下作用または電圧上昇作用をもたらし、これによって整流器１、特にＡＣ／ＤＣコンバータ４のＤＣ電圧範囲が拡張される。一方で、交換される無効電力の量は、制御ユニット９と協働して、例えば１回限りで求められる既知の電圧変動特性ｕ（Ｑ）を参照することによって、設定することができる。この目的のために、整流器１は、以前に求められた電圧変動特性ｕ（Ｑ）を反映する値のペアを記憶するためのデータメモリ１１を含むことができる。代替的または追加的には、整流器１は、調整ユニット１０も含むことができ、この調整ユニットが、ＡＣ／ＤＣコンバータのＤＣ出力部４．２に存在するＤＣ電圧ＵＤＣ，４と、任意選択的にＡＣ入力部４．１に存在する振幅Ｕ４のＡＣ電圧も検出するように構成され、検出したＤＣ電圧ＵＤＣ，４が所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，ｓｏｌｌと比較されて、その比較結果が制御ユニット９に送信される。制御ユニット９は、ＤＣ電圧ＵＤＣ，４が所望の動作電圧ＵＤＣ，ｓｏｌｌに近づき、可能な限り所望の動作電圧に到達するように、ＡＣグリッド３０とＡＣ／ＤＣコンバータ４との間で交換される無効電力Ｑ１，２（ｔ）を、ＡＣ／ＤＣコンバータ４の半導体スイッチの対応する動作によって変化させる。
【0032】
図１では、整流器１、変圧器ユニット３２およびＡＣグリッドが、三相として例示的にそれぞれ示されている。しかしながら、本発明によれば、これらの各々を単相の構成要素として構成することも可能である。さらに、整流器１の制御ユニット９は、通信ユニット（図１には示されていない）に接続することが可能である。これにより、変圧器の一次側でＡＣグリッドに接続される追加の無効電力補償設備の同期的に実行される動作を開始し、調整することができる。
【0033】
図２は、整流器１に割り当てられた、図１のＡＣ／ＤＣコンバータ４の一実施形態をより詳細に示している。図１の整流器１と同様に、ＡＤ／ＤＣコンバータ４は、三相ＡＣ／ＤＣコンバータ４として例示的に構成され、合計３つのブリッジアーム４５を有するコンバータ回路４０を備える。ブリッジアーム４５の各々は、２つの直列接続された半導体スイッチ４１を含み、各々が逆並列に接続された還流ダイオード４２を有する。還流ダイオード４２は、それぞれの半導体スイッチ４１の固有のダイオードとして、または別個のダイオードとして構成することができる。半導体スイッチ４１は、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴ半導体スイッチとすることができる。コンバータ回路４０の三相構成に従って、ＡＣ／ＤＣコンバータ４のＡＣ入力部４．１は、３つの入力端子を備え、その各端子は、それに割り当てられたブリッジアーム４５の２つの半導体スイッチ４１の接続点４６に接続されている。ＤＣ／ＡＣコンバータ４のＤＣ出力部４．２は、正（＋）および負（－）の出力端子を備える。
【0034】
コンバート中、ＡＣ／ＤＣコンバータ４は、有効電力Ｐ（ｔ）をＡＣ入力部４．１からＤＣ出力部４．２に伝送することができ、任意選択的には、ＤＣ出力部からＡＣ入力部４．１の逆方向にも伝送することができる。ＡＣ／ＤＣコンバータ４はさらに、ＡＣ／ＤＣコンバータ４のＡＣ入力部４．１と、ＡＣ入力部４．１に接続されたＡＣグリッド３０（図２には明示されていない）との間で無効電力Ｑ１，２（ｔ）を交換するように構成されている。この目的のために、制御ユニット９の半導体スイッチ４１（図２には明示されていない）が作動される。半導体スイッチ４１の対応するサイクルレートによって、ＡＣ／ＤＣコンバータ４は、ＡＣ入力部４．１に存在するＡＣ電圧を、ＤＣ出力部４．２のＤＣ電圧ＵＤＣ，４に変換することができる。変換されるＤＣ電圧の大きさ、つまりＤＣ電圧範囲は、最小ＤＣ電圧ＵＤＣ，ｍｉｎと最大ＤＣ電圧ＵＤＣ，ｍａｘとの間の値をとり得る。最小ＤＣ電圧ＵＤＣ，ｍｉｎは、還流ダイオード４２によって、（還流ダイオード４２の導通状態電圧を除いて）ＡＣ入力部４．２に存在するＡＣ電圧の振幅Ｕ４に対応する値に下方制限される。還流ダイオード４２により、ブリッジ回路４３は、入力側に印加されるＡＣ電圧の振幅Ｕ４より大きい（小さくはない、少なくとも著しく小さくはない）ＤＣ電圧ＵＤＣ，４をＤＣ出力部４．２に生成することができる。入力側のＡＣ電圧の振幅Ｕ４に対する出力側のＤＣ電圧ＵＤＣ，４の比率が大きくなると、変換損失が増加する。ＡＣ／ＤＣコンバータ４が、インダクタンスＬ、例えばフィルタリアクトル３．１および／または変圧器の二次側に割り当てられたインダクタンスを介して、ＡＣグリッド３０と無効電力Ｑ１，２（ｔ）を交換すると、結果として電圧降下または電圧上昇作用が、ＡＣ入力部４．１上に存在するＡＣ電圧の振幅Ｕ４に対して達成される。これは、図３を参照してより詳細に説明する。
【0035】
図２は、２つの電圧段を有する例示的な二段コンバータ回路４０を示している。しかしながら、本発明では、２つだけの電圧段よりも多くの電圧段を有するコンバータ回路、例えば三段または五段のコンバータ回路も可能である。さらに、本発明では、コンバータ回路を中性点回路の形態で構成することが可能である。ＤＣ出力部４．２の出力端子（－）は、変圧器３２の中性点タップに接続することができ、これを介してＡＣ／ＤＣコンバータ４がＡＣグリッド３０に接続される。代替的には、それをＡＣグリッド３０の中性導体に接続することもできる。
【0036】
図３は、調整ユニット１０を使用して実行することができる一実施形態における、本発明に係る方法の時間的特性を概略的に示している。ここでは、ＡＣ／ＤＣコンバータ４のＤＣ出力部４．２のＤＣ電圧ＵＤＣ，４、ＡＣ／ＤＣコンバータ４のＡＣ入力部４．１のＡＣ電圧の振幅Ｕ４、およびインダクタンスＬを介してＡＣ／ＤＣコンバータ４とＡＣグリッド３０との間で交換される無効電力Ｑ１（ｔ）についての時間特性がプロットされている。図３では、無効電力Ｑ１（ｔ）の交換の正の値が、ＡＣ電圧の振幅Ｕ４に電圧降下作用をもたらす。図３の縦座標軸の横には、個々の時間特性が異なるタイプの線で示されている。これらの時間的特性は、例えば、ＤＣ負荷２０としての電解槽２２がアクティブ制御整流器１に接続された場合に生じ得る例示的なケースを示している。
【0037】
出発点は、電解槽２２が整流器１から分離されている状態である。しかしながら、電解槽２２のプリチャージは既に実行されて、入力側ＤＣ電圧ＵＤＣ，Ｌａｓｔが臨界電圧Ｕｃｒより僅かに低い値となっており、電解反応はまだ進行していない。時点ｔ＜ｔＩにおいて、ＡＣ／ＤＣコンバータ４とＡＣグリッド３０との間で無効電力Ｑ１（ｔ）は最初に交換されておらず、ｔ＜ｔＩにおいて、Ｑ１（ｔ）＝０である。ＡＣ入力部４．１に存在するＡＣ電圧の振幅Ｕ４の値は、高い電解反応速度で変換損失を可能な限り低くするために、臨界電圧より上にある。
【0038】
時点ｔＩで、整流器１が電解槽２２に接続されることが電解システム５０に通知される。可能な限り最も負荷のない配置で、または少なくとも低減された補償電流でこの接続を実行するために、時点ｔＩ以降の所望のＤＣ動作電圧の第１の値ＵＤＣ，Ｓｏｌｌ，１は、同様に電解槽２２の入力部に現在存在するＤＣ電圧ＵＤＣ，Ｌａｓｔに設定されている。このため、所望のＤＣ動作電圧の第１の値ＵＤＣ，Ｓｏｌｌ，１は、ＡＣ入力部４．１上に存在するＡＣ電圧の振幅Ｕ４よりも低く、還流ダイオード４２の導通状態電圧を除くＤＣ出力部４．２のＤＣ電圧ＵＤＣ，４が振幅Ｕ４に対応するため、出力側に存在するＤＣ電圧ＵＤＣ，４よりも低くもなっている。このため、所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌ，１と出力側に存在するＤＣ電圧ＵＤＣ，４との間には、比較的大きな差ΔＵ（ｔＩ）が存在する。調整ユニット１０は、出力側に存在するＤＣ電圧ＵＤＣ，４を検出し、それを所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，Ｓｏｌｌ，１と比較して、電圧差ΔＵ（ｔＩ）を制御ユニット９に伝達する。それに応答して、制御ユニット９は、ＡＣグリッド３０と交換する無効電力Ｑ１（ｔＩ）の増加に応じて、コンバータ回路４０の半導体スイッチ４１を作動させる。無効電力Ｑ１（ｔ）の交換は、特にインダクタンスＬを介したその付随する電流の流れによって、ＡＣ入力部４．１に存在するＡＣ電圧の振幅Ｕ４に電圧降下作用をもたらす。その結果、振幅Ｕ４の値およびＡＣ／ＤＣコンバータ４のＡＣ出力部４．２の対応するＤＣ電圧ＵＤＣ，４（ｔ）が減少する。ｔＩとｔＩＩの間の時間間隔において、現在存在するＤＣ電圧ＵＤＣ，４（ｔ）は、調整ユニット１０によって連続的に検出され、所望のＤＣ動作電圧の第１の値ＵＤＣ，Ｓｏｌｌ，１と比較される。この比較は、差ΔＵ（ｔ）の量的な減少を示し、これは制御ユニット９に伝達される。制御ユニット９は、無効電力Ｑ１（ｔ）の交換をさらに増加させることを目的として、コンバータ回路４０の半導体スイッチ４１を再び作動させる。無効電力Ｑ１（ｔ）の増加と、それに伴う振幅Ｕ４の減少およびＡＣ／ＤＣコンバータ４のＤＣ出力部４．２のＤＣ電圧ＵＤＣ，４の減少は、ｔＩとｔＩＩの間の時間間隔において、ＡＣ／ＤＣコンバータ４のＤＣ出力部４．２のＤＣ電圧ＵＤＣ，４と所望のＤＣ動作電圧の第１の値ＵＤＣ，Ｓｏｌｌ，１との差が消滅するまで実行される。最終的に、結果として、時点ｔＩＩにおいて、入力側ＡＣ電圧の振幅Ｕ４、およびＡＣ／ＤＣコンバータ４のＤＣ出力部４．２のＤＣ電圧ＵＤＣ，４は、所望のＤＣ動作電圧の第１の値ＵＤＣ，Ｓｏｌｌ，１に到達する。このため、時点ｔＩＩにおいて、電解槽２２は、ＤＣ分離ユニット６を閉じることによって、低インピーダンスかつ実質的に無負荷の構成で整流器１に接続され得る。
【0039】
時点ｔＩＩ以降、所望のＤＣ動作電圧の第１の値ＵＤＣ，Ｓｏｌｌ，１は、所望のＤＣ動作電圧の第２の値ＵＤＣ，Ｓｏｌｌ，２に置き換えられ、ここで電解反応が実行される。このため、ｔＩＩ～ｔＩＶの時間間隔において、ＡＣ／ＤＣコンバータ４のＤＣ出力部４．２のＤＣ電圧ＵＤＣ，４が、現在適用可能な所望のＤＣ動作電圧の第２の値ＵＤＣ，Ｓｏｌｌ，２に傾斜接近する。これは、時間間隔ｔＩＩ～ｔＩＩＩにおいて、無効電力Ｑ１（ｔ）が同様に値０まで傾斜減少することを伴う。時点ｔＩＩＩ以降、ＡＣ／ＤＣコンバータ４とＡＣグリッド３０との間で無効電力Ｑ１（ｔ）の交換はさらに行われず、ＡＣ／ＤＣコンバータの入力部４．２におけるＡＣ電圧の振幅Ｕ４が、ｔ＝０におけるその元の値を回復する。
【0040】
無効電力Ｑ１（ｔ）とＡＣ／ＤＣコンバータ４のＤＣ出力部４．２のＤＣ電圧ＵＤＣ，４の図３に示す傾斜特性は、示したものより急な勾配も想定することができ、実質的にステップ状の時間変化を観察することができる。
【0041】
図３は、調整ユニット１０による適応的な方法での潜在的に実行するための、本発明に係る方法を示している。ＡＣグリッド３０のグリッド接続点３１とＡＣ／ＤＣコンバータのＡＣ入力部４．１との間の電圧変動特性ｕ（Ｑ）の詳細な知識は不要である。しかしながら、本発明では、既知の電圧変動特性ｕ（Ｑ）を用いて本方法を実行することも可能である。既知の電圧変動特性ｕ（Ｑ）を参照することにより、ＡＣ／ＤＣコンバータ４のＤＣ出力部４．２に存在するＤＣ電圧ＵＤＣ，４の検出および所望のＤＣ動作電圧の第１の値ＵＤＣ，ｓｏｌｌ，１との比較に加えて、対応する電圧差ΔＵ（ｔＩ）が求められる。このようにして求められた電圧差ΔＵ（ｔＩ）と既知の電圧変動特性ｕ（Ｑ）との比較により、所望のＤＣ動作電圧ＵＤＣ，ｓｏｌｌ，１の設定に必要な無効電力Ｑ１（ｔ）を求めることができる。これに応答して、制御ユニット９は、必要な無効電力Ｑ１（ｔ）の交換のために、ＡＣ／ＤＣコンバータ４の半導体スイッチ４２を作動させることができる。本発明に係る方法は、可能な限り最も負荷のない構成での電解槽２２の整流器１への接続を参照しながら説明してきた。しかしながら、代替的または追加的には、ＤＣ分離ユニット６の開放による、整流器１からの電解槽２２の無負荷分離と組み合わせて実行することも可能である。具体的には、無効電力Ｑ１（ｔ）の短期間の交換によって、整流器１と電解槽２２の低インピーダンス接続の場合に、ＤＣ分離ユニット６の開放の直前および開放中に、その入力部２１に同様に存在するＡＣ／ＤＣコンバータ４のＤＣ出力部のＤＣ電圧ＵＤＣ，４を、電解反応の維持に必要な限界電圧Ｕｃｒ未満に低下させることが可能である。
【符号の説明】
【0042】
１ 整流器
２ ＡＣ分離ユニット
３ フィルタユニット
３．１ フィルタリアクトル
３．２ フィルタキャパシタンス
４ ＡＣ／ＤＣコンバータ
４．１ （ＡＣ／ＤＣコンバータの）ＡＣ入力部
４．２ （ＡＣ／ＤＣコンバータの）ＤＣ出力部
５ （ＡＣ／ＤＣコンバータの）出力キャパシタンス
６ ＤＣ分離ユニット
７ ＡＣ整流器入力部
８ ＤＣ整流器出力部
９ 制御ユニット
１０ 調整ユニット
１１ データメモリ
２０ ＤＣ負荷
２１ （ＤＣ負荷の）入力部
２２ 電解槽
３０ 交流電圧（ＡＣ）グリッド
３１ グリッド接続点
３２ 変圧器
３２．Ｐ 一次側
３２．Ｓ 二次側
４０ コンバータ回路
４１ 半導体スイッチ
４２ 還流ダイオード
４３ （コンバータ回路の）入力部
４４ （コンバータ回路の）出力部
４５ ブリッジアーム
４６ 接続点
Ｑ１（ｔ），Ｑ２（ｔ） 無効電力
Ｐ（ｔ） 有効電力
ＵＮｅｔｚ，Ｕ７，Ｕ４ 振幅
ＵＤＣ，４ ＤＣ電圧
ＵＤＣ，Ｓｏｌｌ ＤＣ電圧
ＵＤＣ，ｍｉｎ，ＵＤＣ，ｍａｘ ＤＣ電圧
ＵＴＨ 電圧閾値
２ ＡＣ分離ユニット
３ フィルタユニット
３．１ フィルタリアクトル
３．２ フィルタキャパシタンス
４ ＡＣ／ＤＣコンバータ
４．１ （ＡＣ／ＤＣコンバータの）ＡＣ入力部
４．２ （ＡＣ／ＤＣコンバータの）ＤＣ出力部
５ （ＡＣ／ＤＣコンバータの）出力キャパシタンス
６ ＤＣ分離ユニット
７ ＡＣ整流器入力部
８ ＤＣ整流器出力部
９ 制御ユニット
１０ 調整ユニット
１１ データメモリ
２０ ＤＣ負荷
２１ （ＤＣ負荷の）入力部
２２ 電解槽
３０ 交流電圧（ＡＣ）グリッド
３１ グリッド接続点
３２ 変圧器
３２．Ｐ 一次側
３２．Ｓ 二次側
４０ コンバータ回路
４１ 半導体スイッチ
４２ 還流ダイオード
４３ （コンバータ回路の）入力部
４４ （コンバータ回路の）出力部
４５ ブリッジアーム
４６ 接続点
Ｑ１（ｔ），Ｑ２（ｔ） 無効電力
Ｐ（ｔ） 有効電力
ＵＮｅｔｚ，Ｕ７，Ｕ４ 振幅
ＵＤＣ，４ ＤＣ電圧
ＵＤＣ，Ｓｏｌｌ ＤＣ電圧
ＵＤＣ，ｍｉｎ，ＵＤＣ，ｍａｘ ＤＣ電圧
ＵＴＨ 電圧閾値
【図1】
【図2】
【図3】
【国際調査報告】