特表 2024-544377 電気エネルギーを変換するためのデバイスおよび方法

(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】2024-11-29

(54)【発明の名称】電気エネルギーを変換するためのデバイスおよび方法

(51)【国際特許分類】

   G05F 1/67 20060101AFI20241122BHJP

【ＦＩ】

G05F1/67 A

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024533827

(86)(22)【出願日】2022-12-16

(85)【翻訳文提出日】2024-07-24

(86)【国際出願番号】 EP2022086399

(87)【国際公開番号】W WO2023111288

(87)【国際公開日】2023-06-22

(31)【優先権主張番号】102021133700.3

(32)【優先日】2021-12-17

(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】クラトシュヴィル，マルセル

(72)【発明者】

【氏名】アンルー，アレクサンダー

【テーマコード（参考）】

5H420

【Ｆターム（参考）】

5H420BB03

5H420BB14

5H420CC03

5H420DD02

5H420DD03

5H420EB01

5H420FF05

5H420FF22

(57)【要約】

本発明は、ＰＶ発電機（１２）と電解槽（１４）との間で電気エネルギーを変換するためのデバイス（１０）に関し、このデバイスは、ＰＶ発電機（１２）を接続するための第１の側と、電解槽（１４）を接続するための第２の側とを有する。このデバイスは、第１の側と変圧器（１８）との間に配置されたインバータ（１６）と、変圧器（１８）と第２の側との間に配置されたアクティブ整流器（２０）とを有し、整流器（２０）のＡＣ側とインバータ（１６）のＡＣ側が変圧器（１８）を介して互いに接続され、インバータ（１６）が、インバータ（１６）のＤＣ側の第１のＤＣ電圧をインバータ（１６）のＡＣ側の第１のＡＣ電圧に変換するように設計され、整流器（２０）が、整流器（２０）のＡＣ側の第２のＡＣ電圧を整流器（２０）のＤＣ側の第２のＤＣ電圧に変換するように設計され、デバイス（１０）は、第２のＡＣ電圧と第２のＤＣ電圧との間の整流器（２０）のＡＣ／ＤＣ変換比を調整することによって、接続されたＰＶ発電機（１２）から接続された電解槽（１４）への、当該デバイスの第１の側と第２の側との間の電力フローに影響を及ぼすように設計されたコントローラを有する。また、本発明は、電気エネルギーを変換する方法にも関する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＰＶ発電機（１２）と電解槽（１４）との間で電力を変換するためのデバイス（１０）であって、
当該デバイスが、ＰＶ発電機（１２）を接続するための第１の側と、電解槽（１４）を接続するための第２の側とを有し、
当該デバイスが、前記第１の側と変圧器（１８）との間に配置されたインバータ（１６）と、前記変圧器（１８）と前記第２の側との間に配置されたアクティブ整流器（２０）とを備え、前記整流器（２０）のＡＣ側と前記インバータ（１６）のＡＣ側が、前記変圧器（１８）を介して互いに接続され、
前記インバータ（１６）が、前記インバータ（１６）のＤＣ側の第１のＤＣ電圧を前記インバータ（１６）のＡＣ側の第１のＡＣ電圧に変換するように設計され、
前記整流器（２０）が、前記整流器（２０）のＡＣ側の第２のＡＣ電圧を前記整流器（２０）のＤＣ側の第２のＤＣ電圧に変換するように設計され、
当該デバイス（１０）がコントローラを備え、このコントローラが、前記第２のＡＣ電圧と前記第２のＤＣ電圧との間の前記整流器（２０）のＡＣ／ＤＣ変換比を調整することによって、接続されたＰＶ発電機（１２）から、接続された電解槽（１４）への、当該デバイスの第１の側と第２の側との間の電力フローに影響を与えるように設計されていることを特徴とするデバイス。

【請求項2】

請求項１に記載のデバイスにおいて、
前記アクティブ整流器（２０）が、半導体スイッチを含み、前記アクティブ整流器（２０）のＡＣ／ＤＣ変換比の調整が、前記半導体スイッチの適切なクロッキングによって実行されることを特徴とするデバイス。

【請求項3】

請求項１または２に記載のデバイスにおいて、
前記インバータ（１６）のＤＣ側の第１のＤＣ電圧（Ｕ＿ＰＶ）および前記アクティブ整流器（２０）のＤＣ側の第２のＤＣ電圧（Ｕ＿Ｐ２Ｇ）が、前記アクティブ整流器（２０）のＡＣ／ＤＣ変換比に依存することを特徴とするデバイス。

【請求項4】

先行する請求項の何れか一項に記載のデバイスにおいて、
前記アクティブ整流器（２０）が、そのＤＣ側からＡＣ側へ降圧コンバータとして動作するように設計され、降圧がＡＣ／ＤＣ変換比に依存し、かつ／または前記インバータ（１６）が、そのＤＣ側からＡＣ側へＤＣ／ＡＣ変換比を有する降圧コンバータとして動作するように設計されていることを特徴とするデバイス。

【請求項5】

先行する請求項の何れか一項に記載のデバイスにおいて、
前記変圧器（１８）が、ＡＣ／ＡＣ変圧比で第１のＡＣ電圧を第２のＡＣ電圧に変換し、当該デバイス（１０）の第１の側と第２の側との間のガルバニック分離を実現することを特徴とするデバイス。

【請求項6】

請求項４または５に記載のデバイスにおいて、
前記インバータ（１６）のＤＣ／ＡＣ変換比および／または前記変圧器（１８）のＡＣ／ＡＣ変圧比を調整することにより、前記第１の側と前記第２の側との間の電力フローに影響を与えるように設計されていることを特徴とするデバイス。

【請求項7】

先行する請求項の何れか一項に記載のデバイスにおいて、
前記インバータ（１６）が、適切な制御により、前記アクティブ整流器（２０）の機能を実行することができるように設計され、また逆も同様であり、前記インバータ（１６）と前記アクティブ整流器（２０）が、特に同じハウジングと、特に同じパワーエレクトロニクス回路を有することを特徴とするデバイス。

【請求項8】

先行する請求項の何れか一項に記載のデバイスにおいて、
前記インバータ（１６）が、ＡＣグリッド（２８）を介して前記変圧器（１８）に接続され、少なくとも１の更なるインバータ（１６、１７）が、前記ＡＣグリッド（２８）に接続され、前記更なるインバータ（１６、１７）が、そのＤＣ側で更なるＰＶ発電機（１２）または電気エネルギー貯蔵装置（２６）に接続可能であることを特徴とするデバイス。

【請求項9】

ＰＶ発電機（１２）と電解槽（１４）との間で電力を変換するための方法であって、
前記ＰＶ発電機（１２）によって生成された第１のＤＣ電圧のＰＶ電力（Ｐ＿ＰＶ）を、インバータ（１６）によって第１のＡＣ電圧のＡＣ電力に変換するステップと、
変圧器（１８）を介して前記ＡＣ電力を第２のＡＣ電圧のＡＣ電力に変換するステップと、
アクティブ整流器（２０）によって前記ＡＣ電力をＤＣ電力（Ｐ＿Ｐ２Ｇ）に変換するステップであって、前記ＤＣ電力（Ｐ＿Ｐ２Ｇ）が第２のＤＣ電圧で前記電解槽（１４）に供給される、ステップとを備え、
前記第２のＡＣ電圧と前記第２のＤＣ電圧との間のＡＣ／ＤＣ変換比が前記アクティブ整流器（２０）によって設定されるという点で、前記ＰＶ発電機（１２）と前記電解槽（１４）との間の電力フローが、前記アクティブ整流器（１４）により影響を受けることを特徴とする方法。

【請求項10】

請求項９に記載の方法において、
前記第１のＤＣ電圧（Ｕ＿ＰＶ）が、前記ＰＶ発電機（１２）において前記インバータ（１６）のＤＣ側に存在し、前記第１のＡＣ電圧が、前記変圧器（１８）において前記インバータ（１６）のＡＣ側に存在し、前記第２のＡＣ電圧が、前記アクティブ整流器（２０）のＡＣ側に存在し、前記第２のＤＣ電圧（Ｕ＿Ｐ２Ｇ）が、前記電解槽（１４）において前記整流器（２０）のＤＣ側に存在し、前記第１のＤＣ電圧（Ｕ＿ＰＶ）および前記第２のＤＣ電圧（Ｕ＿Ｐ２Ｇ）が、前記アクティブ整流器（２０）の設定されたＡＣ／ＤＣ変換比に依存することを特徴とする方法。

【請求項11】

請求項９または１０に記載の方法において、
前記ＰＶ発電機（１２）の開回路電圧に対応する第１のＤＣ電圧（Ｕ＿ＰＶ）と、前記電解槽（１４）のスタンバイ電圧に対応する第２のＤＣ電圧（Ｕ＿Ｐ２Ｇ）とから、前記電力フローが増加し、ここで、前記第１のＤＣ電圧（Ｕ＿ＰＶ）が低下して前記第２のＤＣ電圧（Ｕ＿Ｐ２Ｇ）が上昇するように、前記アクティブ整流器（２０）のＡＣ／ＤＣ変換比が設定され、前記ＰＶ電力（Ｐ＿ＰＶ）が、ＭＰＰ電力（Ｐ_ｍｐｐ）の方向に増加し、前記電解槽（１４）によって吸収される前記ＤＣ電力（Ｐ＿Ｐ２Ｇ）が、公称電力の方向に増加することを特徴とする方法。

【請求項12】

請求項９～１１の何れか一項に記載の方法において、
前記第１のＤＣ電圧（Ｕ＿ＰＶ）が前記ＰＶ発電機（１２）の開回路電圧に対応し、前記第２のＤＣ電圧（Ｕ＿Ｐ２Ｇ）が前記電解槽（１４）のスタンバイ電圧に対応するように、前記アクティブ整流器（２０）のＡＣ／ＤＣ変換比が初期状態で設定されることを特徴とする方法。

【請求項13】

請求項１２に記載の方法において、
前記初期状態における第２のＤＣ電圧（Ｕ＿Ｐ２Ｇ）に対する第１のＤＣ電圧（Ｕ＿ＰＶ）の比が、前記変圧器（１８）のＡＣ／ＡＣ変圧比と前記インバータ（１６）の固定ＤＣ／ＡＣ変換比との積に実質的に対応することを特徴とする方法。

【請求項14】

請求項１３に記載の方法において、
前記インバータ（１６）のＤＣ／ＡＣ変換比が、１～２の間の値、好ましくは１．３～１．７の間の値に設定されることを特徴とする方法。

【請求項15】

請求項１２～１４の何れか一項に記載の方法において、
前記インバータ（１６）のＤＣ／ＡＣ変換比がその設定値を有しかつ前記整流器（２０）のＡＣ／ＤＣ変換比が実質的に値１を有する初期状態に達するように、前記変圧器（１８）のＡＣ／ＡＣ変圧比を段階的に変化させることができることを特徴とする方法。

【請求項16】

請求項９～１５の何れか一項に記載の方法において、
前記整流器（２０）のＡＣ／ＤＣ変換比が、前記ＰＶ発電機（１２）から前記電解槽（１４）への電力フローの検出電力に応じて前記アクティブ整流器（２０）のデューティサイクルを変化させることによって調整されることを特徴とする方法。

【請求項17】

請求項９～１６の何れか一項に記載の方法において、
前記整流器（２０）のＡＣ／ＤＣ変換比が、前記ＰＶ発電機（１２）の電力出力が段階的に増加するように段階的に変更され、好ましくは、電力出力が、初期状態またはゼロから、前記ＰＶ発電機（１２）の最大電力まで増加することを特徴とする方法。

【請求項18】

請求項１７に記載の方法において、
前記整流器（２０）のＡＣ／ＤＣ変換比が繰り返し変更され、それによって引き起こされる電力フローの変化が観察され、前記整流器（２０）のＡＣ／ＤＣ変換比が、前記ＰＶ発電機（１２）のＰＶ電力（Ｐ＿ＰＶ）がＭＰＰ電力（Ｐ_ｍｐｐ）に近づくように、それぞれの変更後に調整されることを特徴とする方法。

【請求項19】

請求項９～１８の何れか一項に記載の方法において、
前記デバイスが、ＤＣ側が電気エネルギー貯蔵装置（２６）に接続され、ＡＣ側が前記変圧器（１８）に接続された更なるインバータ（１７）を備え、前記更なるインバータ（１７）が、調整可能なＤＣ貯蔵電力を前記エネルギー貯蔵装置（１７）と交換することを特徴とする方法。

【請求項20】

エネルギー変換システム（１００）であって、
ＰＶ発電機（１２）と、電解槽（１４）と、請求項１～８の何れか一項に記載の電気エネルギーを変換するデバイス（１０）とを備えることを特徴とするエネルギー変換システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、電力を変換するためのデバイスおよび方法に関し、特に、ＰＶ発電機から取り出されて電解槽に供給される電力を変換するためのデバイスおよび方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＰＶ発電機（ＰＶ：太陽光発電装置）は、ＰＶ発電機に印加される電圧に対する、ＰＶ発電機により生成される電流の依存性を示すＰＶ特性曲線を有する。ＰＶ発電機を電力コンバータ、特にインバータで動作させる場合、電力コンバータはＰＶ発電機の電圧を指定し、それを比較的広い電圧範囲にわたって変化させることができる。ＰＶ特性曲線には、最大電力点、すなわち電流と電圧の積が最大となる電圧がある。最大電力は、ＭＰＰ電力（ＭＰＰ：Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ）とも呼ばれる。通常、電力コンバータは、電圧を適切に変化させ、それに対応する電力の変化を観察することによって、最大電力点を設定しようとする制御システムを備える。特に、設定電圧の関数としての電流の測定値を、この目的に使用することができる。

【0003】

電解槽は、電解槽に印加される電圧に対する、電解槽により引き出される電流の依存性を示す電解特性曲線を有する。電力コンバータ、特にアクティブ整流器で電解槽を動作させる場合、電力コンバータは電解槽の電圧を指定し、それを所定の電圧範囲にわたって変化させることができる。電流の電解特性曲線は、アイドル範囲および開始電圧を有し、電解槽は開始電圧未満ではアイドルモードであり、開始電圧を超えると電解動作モードで動作させることができる。開始電圧は、電解槽の個々の電解セルのいわゆる分解電圧に対応する。電解動作モードでは、電解槽で消費される電流、よって消費電力が、電解槽の最大電力まで、電解槽の電圧の増加に伴って単調に増加する。

【0004】

ＤＥ３１５０７５８Ａ１には、ＰＶ発電機によって生成された電気エネルギーを、スイッチング機構を介して電解槽に供給するデバイスが記載されている。様々な動作条件下における電解槽に対するＰＶ発電機の適応を改善するために、スイッチング機構は、動作条件に応じて、ＰＶ発電機によって生成された電気エネルギーの一部をバッテリに供給するか、または電気エネルギーを電解槽に供給し、その一部をバッテリから取り出す。

【発明の概要】

【0005】

目的
本出願は、ＰＶ発電機から電力を引き出して電解槽に供給するように設計された、電気エネルギーを変換するための改良されたデバイスを開示することを目的とする。また、本発明は、ＰＶ発電機から引き出されて電解槽に供給される電力を変換するための改良された方法を実証することも目的とする。

【0006】

解決手段
上記目的は、請求項１の特徴を含むデバイス、独立請求項９の特徴を含む方法、および請求項１９に係るエネルギー変換システムによって達成される。好ましい実施形態は、従属請求項に与えられる。

【0007】

説明
ＰＶ発電機と電解槽との間で電力を変換するためのデバイスが提供され、このデバイスは、ＰＶ発電機を接続するための第１の側と、電解槽を接続するための第２の側とを有する。このデバイスは、インバータおよびアクティブ整流器を備える。インバータは、デバイスの第１の側と変圧器との間に位置する。アクティブ整流器は、変圧器とデバイスの第２の側との間に位置する。すなわち、整流器のＡＣ側は、変圧器を介してインバータのＡＣ側に接続されている。

【0008】

インバータは、インバータのＤＣ側の第１のＤＣ電圧をインバータのＡＣ側の第１のＡＣ電圧に変換するように設計されている。特に、第１のＤＣ電圧は、接続されたＰＶ発電機のＰＶ電圧に対応することができる。整流器は、整流器のＡＣ側の第２のＡＣ電圧を整流器のＤＣ側の第２のＤＣ電圧に変換するように設計されている。特に、第２のＤＣ電圧は、接続された電解槽の電解電圧に対応することができる。

【0009】

このデバイスは、第２のＡＣ電圧と第２のＤＣ電圧との間の整流器のＡＣ／ＤＣ変換比を調整することによって、接続されたＰＶ発電機から接続された電解槽へのデバイスの第１の側と第２の側との間の電力フローに影響を与えるように設計されたコントローラを備える。ＡＣ／ＤＣ変換比は、整流器のＡＣ側の第２のＡＣ電圧と整流器のＤＣ側の第２のＤＣ電圧の比率に対応する。使用する変換比の特定の定義に応じて、この比率はＤＣ電圧とＡＣ電圧の様々なパラメータから形成することができ、特に関連する電圧の最大振幅または実効値を使用することができる。ＡＣ／ＤＣ変換比を調整することで、ＰＶ発電機と電解槽の間の電力のフローを調整し、デバイスによって変換される電力を、例えばＰＶ発電機および電解槽の一般的な動作条件に適合させることができる。例えば、電力フローを動作条件に動的に適合させることができる。これには、例えば、電解槽および／またはＰＶ発電機のそれぞれの特性曲線上の最適点、特にＰＶ発電機の最大電力の動作点に対応する電力フローを達成するために、ＡＣ／ＤＣ変換比を設定することが含まれる。調整は、段階的および／または連続的に実行することができる。好ましくは、デバイスのコントローラはアクティブ整流器内に配置される。

【0010】

一実施形態では、アクティブ整流器が、特にブリッジ構成で実現されアクティブ整流ブリッジを形成する半導体スイッチを有する。この実施形態では、アクティブ整流器のＡＣ／ＤＣ変換比が半導体スイッチの適切なクロッキングによって設定される。クロッキングは、半導体スイッチのクロック制御によって実現される。クロック制御は、例えば、デバイスのコントローラまたはアクティブ整流器のコントローラによって実行することができる。第２のＤＣ電圧と第２のＡＣ電圧との間の関係は、アクティブ整流器のＡＣ／ＤＣ変換比に依存する。特に、変換比が値１である場合、例えば半導体スイッチがクロックされない場合、ＤＣ電圧は実質的にＡＣ電圧の最大振幅に対応することができる。

【0011】

デバイスの一実施形態では、インバータのＤＣ側の第１のＤＣ電圧およびアクティブ整流器のＤＣ側の第２のＤＣ電圧が、アクティブ整流器のＡＣ／ＤＣ変換比に依存する。したがって、この実施形態では、デバイスの第１の側と第２の側との間の電力フローが、整流器のＡＣ／ＤＣ変換比を介して第１のＤＣ電圧および第２のＤＣ電圧を調整することによって影響を受ける。特に、第１のＤＣ電圧および第２のＤＣ電圧は、接続されたＰＶ発電機および接続された電解槽の特性曲線上の動作点が、符号が反対で実質的に同じ電力を有するように、所与のＡＣ／ＤＣ変換比で設定することができ、それらのＤＣ電圧がＡＣ／ＤＣ変換比に従って互いに離間される。

【0012】

特に、アクティブ整流器は、ＡＣ／ＤＣ変換比に応じて、そのＤＣ側からＡＣ側への降圧コンバータとして動作することができる。第２のＡＣ電圧、より正確には整流器のＡＣ側における第２のＡＣ電圧の位相間電圧は、第２のＤＣ電圧にＡＣ／ＤＣ変換比を乗ずることによって計算される。このため、降圧コンバータとして動作するアクティブ整流器では、ＡＣ／ＤＣ変換比が１未満、または最大でも１に等しくなる。これにより、電力フローをさらに適切に調整し、それぞれの特性曲線上で動作点を最適化することができる。代替的または追加的には、インバータは、そのＤＣ側からＡＣ側へのＤＣ／ＡＣ変換比を有する降圧コンバータとして動作することができる。ＤＣ／ＡＣ変換比は、インバータのＤＣ側の第１のＤＣ電圧とインバータのＡＣ側の第１のＡＣ電圧の比率に対応する。第１のＡＣ電圧、より正確には第１のＡＣ電圧の位相間電圧は、第１のＤＣ電圧にＤＣ／ＡＣ変換比を乗算することによって計算される。したがって、降圧コンバータとして機能するインバータのＤＣ／ＡＣ変換比は、１よりも大きいか、少なくとも１に等しくなる。これにより、電力フローをさらに適切に調整し、それぞれの特性曲線上で動作点を最適化することができる。

【0013】

デバイスの一実施形態では、変圧器が、ＡＣ／ＡＣ変圧比で第１のＡＣ電圧を第２のＡＣ電圧に変換し、デバイスの第１の側と第２の側との間のガルバニック分離を実現する。ＡＣ／ＡＣ変圧比は、変圧器の一方の側の第１のＡＣ電圧と、変圧器の他方の側の第２のＡＣ電圧の比率に対応する。インバータのＡＣ側に存在する第１のＡＣ電圧は、特に整流器のＡＣ側に存在する第２のＡＣ電圧と結合され、変圧器が、ＡＣ／ＡＣ変圧比で第１のＡＣ電圧を第２のＡＣ電圧に変換する。すなわち、インバータのＤＣ側の第１のＤＣ電圧も、第１のＡＣ電圧および変圧器を介して第２のＡＣ電圧に依存することができ、アクティブ整流器の電流変換比を介して第２のＤＣ電圧に結合することができる。

【0014】

一実施形態では、デバイスが、インバータのＤＣ／ＡＣ変換比および／または変圧器のＡＣ／ＡＣ変圧比を調整することによって、その第１の側と第２の側との間の電力フローに影響を与えるように構成されている。したがって、この影響は、整流器のＡＣ／ＤＣ変換比を介した影響に追加される。これにより、エネルギー変換システムの設計、特に接続可能なＰＶ発電機および電解槽の寸法設定に更なる自由度がもたらされ、デバイスのハードウェアを変更することなく、システム設計および変換比の動的適応によって、電力フローの最適化をそれぞれ達成することができる。

【0015】

デバイスの一実施形態では、インバータが、適切に制御された場合にアクティブ整流器の機能を果たすことができるように設計され、またその逆に、アクティブ整流器がインバータの機能を果たすことができるように設計されている。特に、インバータおよびアクティブ整流器は、同じハウジングを有し、特に同じパワーエレクトロニクス回路を有する。一実施形態では、アクティブ整流器およびインバータが、「アクティブ整流器」または「インバータ」の機能を規定する半導体スイッチの制御においてのみ異なる、同じハードウェア機器を有することができる。これには、既存のハードウェアを様々な目的に柔軟に使用することができるという特別な利点がある。

【0016】

一実施形態では、インバータがＡＣグリッドを介して変圧器に接続され、少なくとも１の更なるインバータがＡＣグリッドに接続され、更なるインバータが、そのＤＣ側で更なるＰＶ発電機または電気エネルギー貯蔵装置に接続され得る。そのようなＡＣグリッドは、特に局所的に制限され、好ましくは電力供給グリッドに接続されていないが、他のＤＣユニット、例えば他のＰＶ発電機やバッテリによって生成または貯蔵された電気エネルギーを電解槽に供給することが可能になる。

【0017】

ＰＶ発電機と電解槽との間で電力を変換するための方法は、
・ＰＶ発電機により生成された第１のＤＣ電圧のＰＶ電力を、インバータによって第１のＡＣ電圧のＡＣ電力に変換するステップと、
・変圧器を介してＡＣ電力を第２のＡＣ電圧のＡＣ電力に変換するステップと、
・アクティブ整流器によってＡＣ電力をＤＣ電力に変換するステップとを備える。

【0018】

ＤＣ電力は、第２のＤＣ電圧で電解槽に供給される。ＰＶ発電機と電解槽との間の電力フローは、アクティブ整流器によって、第２のＡＣ電圧と第２のＡＣ電圧との間のＡＣ／ＤＣ変換比を設定することにより影響を受ける。この方法は、例えば上述したデバイスの一つで実行することができる。アクティブ整流器による調整は、コントローラによって制御することができ、このコントローラは、例えばアクティブ整流器内に配置することができる。

【0019】

この方法の一実施形態では、第１のＤＣ電圧がインバータのＤＣ側に存在し、よって接続されたＰＶ発電機に存在する。第１のＡＣ電圧は、インバータのＡＣ側の変圧器に存在する。第２のＡＣ電圧は、アクティブ整流器のＡＣ側に存在する。第２のＤＣ電圧は、電解槽における整流器のＤＣ側に存在する。第１のＤＣ電圧と第２のＤＣ電圧はともに、アクティブ整流器の設定されたＡＣ／ＤＣ変換比に依存する。

【0020】

この方法の一実施形態では、ＰＶ発電機の開回路電圧に対応する第１のＤＣ電圧と、電解槽のスタンバイ電圧に対応する第２のＤＣ電圧とから電力フローが増加し、ここで、第１のＤＣ電圧が低下して第２のＤＣ電圧が上昇するように、アクティブ整流器のＡＣ／ＤＣ変換比が設定され、ＰＶ電力が、ＭＰＰ電力の方向に増加し、電解槽によって吸収されるＤＣ電力が、電解槽の電解特性曲線に沿って公称電力の方向に増加する。これにより、電解槽およびＰＶ発電機の特性曲線上のそれぞれの動作点が、より高い電力の方向にシフトし、それぞれの動作点からの出力がほぼ同じとなる。

【0021】

この方法の一実施形態では、第１のＤＣ電圧がＰＶ発電機の開回路電圧に対応し、第２のＤＣ電圧が電解槽のスタンバイ電圧に対応するように、アクティブ整流器のＡＣ／ＤＣ変換比が初期状態に設定される。ＰＶ発電機の開回路電圧は、ある時点における所与の値であり、電解槽のスタンバイ電圧は、開始電圧未満の電圧範囲内とすることができる。初期状態では、第２のＤＣ電圧に対する第１のＤＣ電圧の比は、変圧器のＡＣ－ＡＣ変圧比とインバータの固定ＤＣ／ＡＣ変換比との積に本質的に対応し得る。

【0022】

この方法の一実施形態では、インバータのＤＣ／ＡＣ変換比が、１～２の間の値、好ましくは１．３～１．７の間の値、例えば１．５に設定される。この値は、デバイスと方法の初期状態を調整するのに特に有利であり、それにより、デバイスの第１の側と第２の側との間の電力フローを最適化し、特にＰＶ発電機および電解槽の特性曲線上の適切な動作点を達成することが可能になる。さらに、ＤＣ／ＡＣ変換比の特定の値を選択することで、接続可能なＰＶ発電機と電解槽の選択の自由度が増し、動作中の特性曲線の予測可能な変化の範囲に、特にＰＶ発電機のＰＶ特性曲線の天候や照射に関連するシフトに対して、本方法を最適に調整することができる。

【0023】

この方法の一実施形態では、変圧器のＡＣ／ＡＣ変圧比を段階的に変化させて、初期状態に到達させることができ、この初期状態では、インバータのＤＣ／ＡＣ変換比がその設定値を有し、整流器のＡＣ／ＤＣ変換比が実質的に値１を有する。この状態は、デバイスの第１の側と第２の側との間の電力フローを最適化し、特にＰＶ発電機および電解槽の特性曲線上で適切な動作点を達成することができるように、デバイスおよび方法の初期状態を調整するのに特に有利である。さらに、ＡＣ／ＡＣ変圧比とその変動範囲の選択は、システム全体の設計の自由度として使用することができ、ＰＶ発電機および電解槽の特性曲線の特定の相対位置に合わせて最適化することができる。

【0024】

ＤＣ／ＡＣ変換比およびＡＣ／ＡＣ変換比は、１回または繰り返し、例えば朝のエネルギー供給システムの開始時に毎日、かつ／または特性曲線の変化に応じて、例えば天候や日射によるＰＶ発電機のＰＶ特性曲線のシフトに応じて、１日に数回、変更することができる。

【0025】

この方法の一実施形態では、ＰＶ発電機から電解槽への電力フローの検出電力に応じてアクティブ整流器のデューティサイクルを変化させることによって、整流器のＡＣ／ＤＣ変換比が調整される。ＡＣ／ＤＣ変換比、すなわちアクティブ整流器の変換比は、ここではアクティブ整流器の変調の度合い、特にアクティブ整流器の半導体スイッチの変調の度合いに依存する。

【0026】

この方法の一実施形態では、ＰＶ発電機の電力出力、すなわちＰＶ電力が段階的に増加するように、整流器のＡＣ／ＤＣ変換比が段階的に変更され、電力出力が、好ましくは、初期状態またはゼロからＰＶ発電機の最大電力まで増加する。ＰＶ発電機の開回路動作から開始して、これは、ＰＶ特性曲線に沿ってＰＶ発電機の開回路電圧からより高い電力の方向に、ＰＶ電圧に対応する第１のＤＣ電圧が低下することに対応する。ＰＶ電力は、電気エネルギーの電力フローの一部として、ＰＶ発電機から電解槽に流れることができる。

【0027】

この方法の一実施形態では、整流器のＡＣ／ＤＣ変換比を繰り返し変化させて、その結果生じる電力フローの変化を観察する。整流器のＡＣ／ＤＣ変換比は、ＰＶ発電機のＰＶ電力がＭＰＰ電力に近づくように、それぞれの変更後に調整される。これは、例えばＭＰＰトラッキング制御に対応する。この実施形態では、アクティブ整流器がＰＶ発電機のＭＰＰトラッキングを実行する。

【0028】

この方法の一実施形態では、デバイスが更なるインバータを有し、このインバータのＤＣ側が電気エネルギー貯蔵装置に接続され、ＡＣ側が変圧器に接続され、この更なるインバータが、調整可能なＤＣ貯蔵電力をエネルギー貯蔵装置と交換する。

【0029】

エネルギー変換システムは、ＰＶ発電機と、電解槽と、電力を変換するための上述したデバイスの１または複数とを備えることができる。そのようなエネルギー変換システムは、上述した方法の１または複数を実行するように設定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

以下に、図面に示す例示的な実施形態を参照して、本発明をさらに説明および解説する。

【図1】図１は、電気エネルギーを変換するデバイスの一実施形態を有するエネルギー変換システムを一例として示している。

【図2】図２は、電気エネルギーを変換するデバイスの一実施形態を有するエネルギー変換システムを一例として示している。

【図3】図３は、ＰＶ発電機および電解槽の例示的な特性曲線を示している。

【図4】図４は、エネルギー変換システムにおけるＰＶ発電機および電解槽の例示的な特性曲線を共通のＸ軸上で示している。

【図5】図５は、電力を変換するデバイスの一実施形態を有するエネルギー変換システムを一例として示している。

【図6】図６は、電力を変換するデバイスの例示的な設計の特性曲線を示している。

【図7】図７は、電力を変換するデバイスの例示的な設計の特性曲線を示している。

【図8】図８は、電力を変換するデバイスの例示的な設計の特性曲線を示している。

【図9】図９は、電力を変換するデバイスの例示的な設計の特性曲線を示している。

【発明を実施するための形態】

【0031】

図１は、電力を変換するデバイス１０を有するエネルギー変換システム１００を概略的に示している。ＰＶ発電機１２は、デバイス１０を介して電解槽１４に接続されている。デバイス１０は、インバータ１６、変圧器１８およびアクティブ整流器２０を備える。インバータ１６および整流器２０は、本質的な特性において同一であり、特にそれらは、同じハウジングおよび同じパワーエレクトロニクス回路を備える。ＰＶ発電機１２の利用可能なＰＶ電力Ｐ＿ＰＶは、デバイス１０内で変換され、特に水素生成のために電解槽１４で使用するための電解電力Ｐ＿Ｐ２Ｇとして直接利用可能である。

【0032】

ＰＶ発電機１２からシステムを始動するのに十分なＰＶ電力Ｐ＿ＰＶが得られる場合、例えば３５０～６９０Ｖの範囲内の設定値を有し、例えば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ、あるいは必要に応じて例えば２０Ｈｚ～１００Ｈｚの異なる周波数を有する第１のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ１を、インバータ１６を介して生成し、変圧器１８の一方の側に印加することができる。その結果、変圧器１８が予磁化される。予磁化を行うためには、インバータによって生成された第１のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ１の振幅をランプを介して設定値まで増加させることが有利となり得る。

【0033】

インバータ１６は、ＰＶ電圧Ｕ＿ＰＶに実質的に対応する、ＤＣ側に印加される第１のＤＣ電圧Ｕ＿ＰＶを、ＤＣ側からＡＣ側へＤＣ／ＡＣ変換比で降圧するように構成され、第１のＤＣ電圧Ｕ＿ＰＶ（よってＰＶ電圧Ｕ＿ＰＶ）が、相間電圧によって生成される第１のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ１の振幅を上回るようになっている。

【0034】

アクティブ整流器２０のＡＣ側に印加される第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２は、インバータ１８のＡＣ側の第１のＡＣ電圧を変圧器１８のＡＣ／ＡＣ変圧比で除した値である。変圧器１８のＡＣ／ＡＣ変圧比が、例えば１．５である場合、第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２は第１のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ１の２／３の値に変換される。アクティブ整流器２０のＡＣ側の第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２は、例えば３５０Ｖ～６９０Ｖであり、特に動作中に固定値に設定されることはなく、整流器２０の設定ＡＣ／ＤＣ変換比または所望の電力フローに応じて変化し得る。

【0035】

図２は、エネルギー変換システム１００の可能性のある拡張を示している。双方向インバータ１７を介して貯蔵装置２６を変圧器１８に接続することで、余剰のＰＶ電力Ｐ＿ＰＶを蓄えることができ、ＰＶ電力Ｐ＿ＰＶが低いときに、貯蔵装置２６からエネルギーを引き出することにより、電解動作モードをサポートまたは維持することができる。さらに、複数のＰＶ発電機１２を変圧器１８に接続することもできる。複数のＰＶ発電機１２は、個々のインバータ１６を介してそれぞれ接続することができる。ＰＶ発電機１２が、例えば様々なストリング長に起因して、様々な特性曲線を有し、それにより様々なＰＶ電圧Ｕ＿ＰＶで最適に動作する場合、インバータが同じ第１のＡＣ電圧Ｕ：ＡＣを生成するように、インバータ１６のＤＣ／ＡＣ変換比を、それに応じて調整することができる。ＰＶ発電機１２および貯蔵装置２６は、特に公共グリッドに接続されていないローカルＡＣグリッド２８を介して変圧器に接続することができる。

【0036】

また、電解槽１４、ＰＶ発電機１２または貯蔵装置２６を接地することも可能である（貯蔵装置２６およびＰＶ発電機１２は、接地に対して同電位である）。ＰＶ発電機１２と、場合によっては貯蔵装置２６は、変圧器１８によって電解槽１４から電気的に絶縁されている。

【0037】

図３は、ＰＶ発電機１２および電解槽１４の例示的な特性曲線を示している。図３ａ）のＰＶ特性曲線は、所与の外部条件（温度、日射など）下における、ＰＶ発電機１２に印加される電圧Ｕ＿ＰＶに対する、ＰＶ発電機１２によって生成される電流Ｉ＿ＰＶ、すなわち第１のＤＣ電流の依存性を示している。ＰＶ電力Ｐ＿ＰＶのＰＶ特性曲線は、最大電力点Ｍ_ＰＰ、すなわち電流と電圧の積が最大となる電圧を有する。最大ＰＶ電力Ｐ＿ＰＶはＭＰＰ電力とも呼ばれる。照射された太陽エネルギーを最大限に利用するために、ＰＶ発電機１２は、ＰＶ電圧Ｕ＿ＰＶを適切に変化させてＰＶ電力Ｐ＿ＰＶの対応する変化を観察することにより最大電力点を設定しようとするコントローラによって制御される。設定されたＰＶ電圧Ｕ＿ＰＶの関数としてのＰＶ電流Ｉ＿ＰＶの測定値は、この目的に使用することができる。好ましくは、このコントローラは電力変換デバイス１０に配置される。特に、デバイス１０のコントローラおよび／またはアクティブ整流器２０のコントローラも、この制御タスクを実行することができる。

【0038】

電解槽１４は、例えば、図３のＢ）に示すような電解電流Ｉ＿Ｐ２Ｇの電解特性曲線を有し、これは、電解槽１４に印加される第２の電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇに対する、電解槽１４によって吸収される電解電流Ｉ＿Ｐ２Ｇの依存性を表示している。電解電流Ｉ＿Ｐ２Ｇの電解特性曲線は、スタンバイ電圧範囲および開始電圧Ｕ_Ｚを有し、電解槽１４は、開始電圧Ｕ_Ｚ未満ではスタンバイ電圧範囲にあり、よって無負荷動作モードにあり、開始電圧Ｖ_Ｚを超えると、電解動作モードで動作することができる。電解槽１４の電力特性曲線は、電解電流と電解電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇの乗算から得られ、第２のＤＣ電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇとともに単調に増加する同等の曲線を示し、これは、電流Ｉ＿Ｐ２Ｇの図示のほぼ直線的な電解特性曲線の場合、ほぼ２次関数に対応する。

【0039】

電力を変換するための方法では、アクティブ整流器２０は、システムの始動時にそれ自体のＤＣ中間回路のプリチャージを開始する。そのために、アクティブ整流器２０は、ＰＶ電力を使用してインバータ１２によって予磁化された変圧器１８を介してＡＣ電力Ｐ＿ＡＣを引き出す。整流器２０から引き出されるＡＣ電力は、インバータ１６によってＰＶ発電機１２から取り出され、最初に、変圧器１８および整流器２０を介してプリチャージ電力として整流器２０のＤＣ側のコンデンサに供給される。整流器２０は、パワーエレクトロニクス回路の点でインバータ１６と同一であることが好ましく、それによりそのＤＣ側からＡＣ側への降圧コンバータとして機能するため、整流器２０のＤＣ側の第２のＤＣ電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇは、整流器２０のＡＣ側の第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２の振幅よりも大きくなる。整流器２０は、第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２を第２のＤＣ電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇで除して得られるＡＣ／ＤＣ変換比を有する第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２の方向の降圧コンバータとして機能する。上述した降圧コンバータの場合、この定義によれば、ＡＣ／ＤＣ変換比は１未満になる。換言すれば、第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２は、昇圧コンバータとして動作する整流器２０を介して第２のＤＣ電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇに変換され、このＤＣ電圧が、第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２の振幅よりも大きくなる。

【0040】

第２のＤＣ電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇで充電された整流器２０のキャパシタンス内のエネルギー（または任意選択的に、第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２で変圧器１８によって供給される電力）は、特に電解槽１４の周辺デバイス（例えば、ポンプ、ヒータなど）に使用することができる任意の補助電源２２を提供するために使用することができる。補助電源２２の必要電圧に応じて、また補助電源２２の電圧源に応じて、補助電源２２の補助電圧の設定は、整流器２０のＤＣ側からの更なるインバータまたはＤＣ／ＤＣコンバータを介して、あるいは整流器２０のＡＣ側からのコンバータまたは整流器を介して提供することができる。このため、補助電源は、任意選択的に、アクティブ整流器２０のＤＣ側に接続される補助ユニットとして、更なるインバータまたはＤＣ／ＤＣコンバータを有することができる。補助電源は、任意選択的に、アクティブ整流器２０のＡＣ側に接続される補助ユニットとしてインバータまたは整流器を有することができる。補助電源は、アクティブ整流器２０の出力における電圧変動またはＰＶ電力Ｐ＿ＰＶの変動が補助電源２２の電圧に与える影響を減衰させる貯蔵装置を含むことができる。

【0041】

電解槽１４の始動準備も整って、電力を吸収できるようになるとすぐに、ＤＣ側スイッチ２４が閉じられて、電力変換方法がシステム開始モードから電解動作モードに切り替わる。

【0042】

エネルギー変換システム１００におけるデバイス１０の電解動作モード中、整流器２０は、可変クロック比を使用して、電解槽１４における第２のＤＣ電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇと変圧器１８における第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２との比を調整することにより、予め設定された周波数および可変振幅を有する第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２を設定するタスクを実行する。この比は、ＡＣ／ＤＣ変換比に対応する。

【0043】

電解動作モードでは、インバータ１６が、そのＡＣ側に印加される第１のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ１（すなわち、ＡＣ／ＡＣ変圧比を使用して変圧器１８で変換される整流器２０における第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２）を、そのＤＣ側の第２のＤＣ電圧Ｕ＿ＰＶに変換し、それが、電解動作モードにおいてＰＶ発電機１２に印加される。ここで、インバータ１６は、固定のＤＣ／ＡＣ変換比を使用することが好ましく、ＰＶ発電機の電圧Ｕ＿ＰＶが、以下の関係を介して、整流器２０の設定された第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２に直接関数的に依存する。

換言すれば、インバータ１６は、ＤＣ電圧Ｕ＿ＰＶからＡＣ電圧を生成し、このＡＣ電圧は、整流器２０によって設定され、場合によっては変圧器１８を介してスケーリングされる第１のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ１に従うものであり、ＰＶ電圧Ｕ＿ＰＶでＰＶ電力Ｐ＿ＰＶから生じる電流を供給する。ＤＣ／ＡＣ変換比、よって電力平衡におけるＵ＿ＰＶとＵ＿ＡＣ１の比を一定に保つことができる。

【0044】

電解動作モードでは、デバイス１０のコントローラは、電解槽１４によって消費される電力を指定する電力設定値を使用することができる。アクティブ整流器２０は、例えばそのコントローラによって、アクティブ整流器２０のＡＣ側の第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２と電解槽１４の第２のＤＣ電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇとの間のＡＣ／ＤＣ変換比を変えることにより、指定された電力を設定する。ＡＣ／ＤＣ変換比の所与の値に対して、アクティブ整流器２０のＡＣ入力とＤＣ出力の間に電力平衡が確立され、少なくともシステム全体の損失が無視できる場合に、ＰＶ発電機１２によって供給される電力が、電解槽１４によって消費される電力に対応する。この結果、ＰＶ特性曲線Ｐ＿ＰＶおよび電流の電解特性曲線Ｉ＿Ｐ２Ｇ上の動作点が得られ、その電圧は、デバイス１０の全体的な変換比、すなわちインバータ１６、変圧器１８および整流器２０の変換比の積に対応する相互の比になる。これは、ＤＣ／ＡＣ変換比、ＡＣ／ＡＣ変圧比およびＡＣ／ＤＣ変換比の積に相当する。

【0045】

ＰＶ電力Ｐ＿ＰＶおよび電解電力Ｐ＿Ｐ２Ｇはともに、変圧器１８のＡＣ／ＡＣ変圧比を考慮して、ＰＶ発電機１２が開回路動作モードで電解槽１４がスタンバイ電圧にあるときの整流器２０のＡＣ／ＤＣ変換比が１の状態から、増加させることができ、ＡＣ／ＤＣ変換比は、ＡＣ電圧すなわちＰＶ電圧Ｕ＿ＰＶが低下して第２のＤＣ電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇすなわち電解槽電圧が上昇するように、変更される。ＰＶ発電機１２の動作点は、ＰＶ特性曲線に沿ってＭＰＰの方向に移動し、電解槽１４の動作点は、電流Ｉ＿Ｐ２Ｇの電解特性曲線に沿って公称電力の方向に移動する。デバイス１０の全体的な動作点は、第２のＤＣ電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇと第１のＤＣ電圧Ｕ＿ＰＶとの比がデバイス１０の全体的な変換比に対応し、同時にＰＶ電力Ｐ＿ＰＶがＤＣ電力Ｐ＿Ｐ２Ｇに等しくなる位置に到達する。電解槽１４の必要電力がＰＶ発電機１２の最大ＭＰＰ電力を超えている場合、アクティブ整流器２０の制御はＭＰＰトラッキングに切り替わり、この場合、少なくとも電力レベルが電解槽１４の公称電力範囲内にあって電解槽１４および／または貯蔵装置２６によって処理できる限りにおいて、可能な最大ＰＶ電力Ｐ＿ＰＶがＰＶ発電機から取り出されるように、アクティブ整流器２０によって第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２の変更が実行される。

【0046】

また、ＡＣ／ＡＣ変換比および／またはＤＣ／ＡＣ変換比を、ＡＣ／ＤＣ変換比の代わりに、またはＡＣ／ＤＣ変換比に加えて変更することによって、デバイス１０の全体的な変換比、よって電解槽１４における第２のＤＣ電圧Ｕ＿Ｐ２ＧとＰＶ発電機１２における第１のＤＣ電圧Ｕ＿ＰＶとの比を変更することも可能である。これは、両方のＰＶ発電機１２が開回路動作モードにあり、電解槽１４がスタンバイ電圧にあるときの整流器２０のＡＣ／ＤＣ変換比が１または１に近い状態で、システム開始時にＤＣ電圧の相互の比を得るために特に有利である。この初期状態から、ＰＶ発電機１２から電解槽１４への電力フローを開始することができ、そして、第２のＤＣ電圧Ｕ＿ＰＶ、ひいてはＰＶ電圧が低下して第２のＤＣ電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇ、ひいては電解槽電圧が上昇するように、整流器２０のＡＣ／ＤＣ変換比を再び変更することにより、ＰＶ発電機から電解槽への電力フローを増加させることができる。

【0047】

変圧器は、基本的に１に等しいＡＣ／ＡＣ比を有することができる。この例示的な実施形態では、ＰＶ発電機１２および電解槽１４の特性曲線は、開始状態においてそれらが「互いに隣り合う」ように、すなわち図４に示すように、ＡＣ／ＤＣ変換比およびＤＣ／ＡＣ変換比が１または１に近くなるように、すなわち電解槽１４の開始電圧Ｕ_ＺがＰＶ発電機１２の開回路電圧Ｕ_Ｏ／Ｃを（僅かに）上回るように設計され得る。「アイドル状態」、すなわちインバータ１６の固定クロッキングでコンポーネントをプリチャージまたは予磁化した後では、図４に示す状況になり、この状況では、ＰＶ発電機１２と電解槽１４の間に位置するコンポーネントであるインバータ１６、変圧器１８および整流器２０は、アイドル状態で（ほぼ）１の変換比をそれぞれ有することができるため、開始段階でシステム内の他の電圧に影響を与えたＰＶ発電機１２の開回路電圧Ｕ_Ｏ／Ｃは、ＰＶ発電機１２の開回路電圧Ｕ_Ｏ／Ｃに本質的に対応する電解槽１４の第２のＤＣ電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇをもたらす。

【0048】

エネルギー変換システム１００のそのような設計は、電解槽１４のかなり高い電圧範囲を必要とする可能性がある。特に、電解槽の開始電圧は、ＰＶ発電機１２の開回路電圧よりもかなり高くなければならない。より低い開始電圧の電解槽１４を使用できるようにするため、すなわちＰＶ特性曲線に対する図４の電解槽特性曲線の位置をより低い電圧に向かってシフトさせるために、変圧器１８は、ＰＶ側の第１のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ１を電解槽側の著しく低い第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２に変換するＡＣ／ＡＣ変圧比を有することができる。その結果、図４では（見方によっては）、電解槽の特性曲線それ自体を著しく低い電圧とすること、すなわち、例えば、より低い電力レベルの電解槽１４を使用することができ、あるいは、ＰＶの特性曲線を著しく高い電圧とすること、すなわち、より大きなＰＶ発電機１２を使用することができる。変圧器１８は、そのＡＣ／ＡＣ変圧比に基づいて特性曲線を相対的に「シフト」させ、開始状態では、ＰＶ発電機１２は開回路動作モードにあり、また、電解槽１４はスタンバイ電圧にある。制御の基本設計はこれにより大きく影響を受けることはなく、そのため、変圧器１８のＡＣ／ＡＣ変圧比は、エネルギー変換システムの設計において、かつ／またはＰＶ発電器１２と電解槽１４の動作範囲を互いに適合させるために、周囲条件に変化が生じた場合、例えば日射および／または温度の変化およびそれに伴う任意の変化、特にＰＶ特性曲線に対する変化が生じた場合に、使用することができる自由度を表す。

【0049】

したがって、変圧器１８のＡＣ／ＡＣ比を調整することで、電解特性曲線とＰＶ特性曲線を非常に簡単にシフトさせることが可能である。ＰＶ特性曲線と同様に、電解特性曲線も電流および／または電力で指定することができる。一方では、エネルギー変換システム１００の設計中に、かつ／または他方では、エネルギー変換システム１００の動作中に、例えばステップスイッチを介して、変圧器１８のＡＣ／ＡＣ比を（動的に）変更することによって、これを達成することができる。代替的または追加的には、特性曲線は、例えば、動作中に固定されるインバータ１６のＤＣ／ＡＣ変換比を変化させることによって、日射または温度などの外部影響を補正するために、互いに対して適切にシフトさせることができる。

【0050】

図５は、電力を変換するためのデバイス１０の一実施形態を有するエネルギー変換システム１００の特定の実施形態を示している。この図面には、動作中に発生する様々な電圧および電流が示されている。

【0051】

ＰＶ発電機１２は、ＰＶ電力Ｐ＿ＰＶを第１のＤＣ電圧Ｕ＿ＰＶおよびＰＶ電流Ｉ＿ＰＶでインバータ１６のＤＣ側に供給する。インバータ１６は、このＰＶ電力Ｐ＿ＰＶを第１のＡＣ電力Ｐ＿ＡＣ１に変換する。インバータ１６は、そのＤＣ側からＡＣ側への降圧コンバータとして動作する。すなわち、その三相ＡＣ側の第１のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ１の位相間電圧は、そのＤＣ側の第１のＤＣ電圧Ｕ＿ＰＶよりも低い。ＤＣ／ＡＣ比は降圧のために使用される。

【0052】

ＡＣ／ＡＣ変圧比を有する変圧器１８は、インバータ１６のＡＣ側に接続されている。この変圧器は、第１のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ１を第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２に変圧し、よって第１のＡＣ電力Ｐ＿ＡＣ１を第２のＡＣ電力Ｐ＿ＡＣ２に変換する。変圧器１８には、第１のＡＣ電流Ｉ＿ＡＣ１が供給される。

【0053】

第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２はアクティブ整流器２０のＡＣ側に印加され、第２のＡＣ電流Ｉ＿ＡＣ２は整流器２０に流入し、整流器２０が第２のＡＣ電力Ｐ＿ＡＣ２を吸収する。整流器２０は第２のＡＣ電力Ｐ＿ＡＣ２をＤＣ電力Ｐ＿Ｐ２Ｇに変換する。アクティブ整流器２０は、そのＤＣ側からＡＣ側への降圧コンバータとして機能する。このため、アクティブ整流器２０は、そのＡＣ側からＤＣ側へと、ＡＣ／ＤＣ変換比を有する昇圧コンバータとして機能する。

【0054】

アクティブ整流器２０は、そのＤＣ側では、電解槽１４に第２のＤＣ電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇおよび第２のＤＣ電流Ｉ＿Ｐ２ＧでＤＣ電力Ｐ＿Ｐ２Ｇを供給し、第２のＤＣ電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇおよび第２のＤＣ電流が、電解槽１４の電解特性曲線を介してリンクされている。

【0055】

図６～図９は、図５に係るデバイス１０を有するエネルギー変換システム１００の設計の様々な特性曲線および動作点の例を示している。

【0056】

図６は、電圧の関数としてのＰＶ発電機１２の動作を示しており、一方では電流と電力、他方ではＤＣとＡＣが区別されている。この図６において、破線で示す特性曲線は、ＰＶ発電機１２の一例について、第１のＤＣ電圧Ｕ＿ＰＶに対するＰＶ電力Ｐ＿ＰＶを示している。二点鎖線で示す特性曲線は、同じＰＶ発電機１２の第１のＤＣ電圧Ｕ＿ＰＶに対する第１のＤＣ電流Ｉ＿ＰＶを示している。実線の特性曲線は、インバータ１６のＡＣ側の第１のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ１に対する第１のＡＣ電力Ｐ＿ＡＣ１を示している。破線の特性曲線は、第１のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ１に対する第１のＡＣ電流Ｉ＿ＡＣ１を示している。合計電流Ｉ＿ＡＣ１は、相間電圧Ｕ＿ＡＣ１の３つの導体すべてにプロットされている。この例では、ＤＣ／ＡＣ変換比がＵ＿ＰＶ／Ｕ＿ＡＣ１＝１．５である。この例では、動作中のインバータ１６の第１のＤＣ電圧Ｕ＿ＰＶの振幅が、インバータ１６のＡＣ側の第１のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ１の相間電圧の振幅よりも恒久的に１．５倍大きい。

【0057】

変圧器１８のＡＣ／ＡＣ変圧比が１で、無損失伝送が仮定される場合、整流器２０における第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２の振幅は、インバータ１６の第１のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ１の振幅と同じである。また、例えば、変圧器１８のＡＣ／ＡＣ変圧比をＵ＿ＡＣ１／Ｕ＿ＡＣ２＝１．５、インバータ１６のＤＣ／ＡＣ変換比をＵ＿ＰＶ／Ｕ＿ＡＣ１＝１．５に選択することも可能である。その場合、Ｕ＿ＡＣ１とＵ＿ＡＣ２の振幅は等しくなくなるが、Ｉ＿ＡＣ２およびＰ＿ＡＣ２に対するＩ＿ＰＶおよびＰ＿ＰＶの比は、図６に示すＩ＿ＡＣ１およびＰ＿ＡＣ１に対するＩ＿ＰＶおよびＰ＿ＰＶの比と同様になる。

【0058】

図７は、ＰＶ発電機１２のＰＶ特性曲線Ｐ＿ＰＶ、アクティブ整流器２０のＡＣ側の対応するＰＶ特性曲線Ｐ＿ＡＣ２、およびアクティブ整流器２０のＤＣ側の電解特性曲線Ｐ＿Ｐ２Ｇの一部を示している。ここで示す部分は、ＰＶ発電機１２への日射が弱い状態、例えば午前中の前記特性曲線に関する。一点鎖線で示すＰＶ特性曲線は、ＰＶ発電機１２の第１のＤＣ電圧Ｕ＿ＰＶに対するＰＶ電力Ｐ＿ＰＶを示している。実線の特性曲線は、整流器２０のＡＣ側の第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２に対する第２のＡＣ電力Ｐ＿ＡＣ２を示している。点線の特性曲線は、第２のＤＣ電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇに対する電解電力Ｐ＿Ｐ２Ｇを示している。図示の電解電力Ｐ＿Ｐ２Ｇの電解特性曲線は、整流器２０のＤＣ端子に印加される第２のＤＣ電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇに対して電解で消費される電力を示している。

【0059】

図７では、図示の特性曲線上に点ＡＰ１が示されている。これらの動作点ＡＰ１は、低日射時、すなわち電解槽の公称電力に比べて非常に低い電力（ここでは、約１０００ｋＷの公称電力で１０ｋＷ；図８を参照）でのエネルギー変換システム１００の開始段階に使用される。この動作点ＡＰ１では、ＰＶ発電機１２が、損失を補い、変圧器１８の磁化電流を供給し、電解槽１４をプリチャージし、補助電源２２の補助ユニットに供給するのに十分な利用可能な電力を有する。ＰＶ発電機１２に８５０Ｖの電圧が印加された場合に利用可能な電力は、図示の例では１０ｋＷである。インバータ１６のＡＣ側では、選択されたＤＣ／ＡＣ変換比１．５により、動作点ＡＰ１における第１のＡＣ電圧がＵ＿ＡＣ１＝５６６Ｖである。第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２については、ＡＣ／ＡＣ変圧比１を選択すると、Ｕ＿ＡＣ２＝５６６Ｖになる。エネルギー変換システムの初期状態、すなわちコンポーネントをプリチャージした後では、整流器２０のＡＣ／ＤＣ変換比が１に等しいかそれに近い限り、電解槽１４にも約５６６Ｖのスタンバイ電圧が存在する。

【0060】

開始段階において、整流器２０は、第２のＤＣ電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇが増加するようにＡＣ／ＤＣ変換比を変化させることによって、電解槽１４をＵ＿Ｐ２Ｇ＝７２０Ｖまでプリチャージし始める。電解槽２０の開始電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇ＝７００Ｖに達するとすぐに、第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２、よってＰＶ電圧Ｕ＿ＰＶも同時に低下する。その結果、ＰＶ電力Ｐ＿ＰＶ、または結合された第２のＡＣ電力Ｐ＿ＡＣ２、および電解電力Ｐ＿Ｐ２Ｇがともに増加する。電力平衡が確立され、図７では、所与のＡＣ／ＤＣ変換比に対して、ＰＶ発電機１２から電解槽１４へ約１０ｋＷの電力フローが生じる。利用可能な電力が開始段階で例えば２ｋＷ未満に低下した場合、エネルギー変換システム１００はアイドル状態に戻る。また、例えば補助電源の補助ユニットや損失などのために、開始段階に電力をバッファするためのエネルギー貯蔵装置を設けることも可能である。

【0061】

図８および図９は、ＰＶ発電機１２のＰＶ特性曲線Ｉ＿ＰＶ、Ｐ＿ＰＶ、アクティブ整流器２０のＡＣ側でそれに結合されたＰＶ特性曲線Ｉ＿ＡＣ２、Ｐ＿ＡＣ２、およびアクティブ整流器２０のＤＣ側における電解槽１４の電解特性曲線Ｉ＿Ｐ２Ｇ、Ｐ＿Ｐ２Ｇをそれぞれ示している。ＰＶ発電機１２への日射量は、図７に示す特性曲線よりも高くなっている。

【0062】

図８および図９において、一点鎖線で示すＰＶ特性曲線は、ＰＶ発電機１２の第１のＤＣ電圧Ｕ＿ＰＶに対するＰＶ電力Ｐ＿ＰＶを示している。二点鎖線で示すＰＶ特性曲線は、ＰＶ発電機１２のＰＶ電圧Ｕ＿ＰＶに対するＰＶ電流Ｉ＿ＰＶを示している。実線で示すＰＶ特性曲線は、整流器２０のＡＣ側における第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２に対する第２のＡＣ電力Ｐ＿ＡＣ２を示している。細い破線の特性曲線は、第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２に対する第２のＡＣ電流Ｉ＿ＡＣ２を示している。合計電流Ｉ＿ＡＣ２は、相間電圧Ｕ＿ＡＣ２の３つの導体すべてにプロットされており、これは、電力レベルＰ＿ＤＣおよびＰ＿ＡＣ２が同一である一方で、電圧Ｕ＿ＡＣ２が電圧Ｕ＿ＰＶよりも低いため、同じ電力レベルに対して第１のＤＣ電流Ｉ＿ＰＶよりも高くなる。

【0063】

点線の特性曲線は、電解電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇに対する電解電力Ｐ＿Ｐ２Ｇを示している。太い破線の特性曲線は、電解電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇに対する電解電流Ｉ＿Ｐ２Ｇを示している。電解電力Ｐ＿Ｐ２Ｇの図示の電解特性曲線は、整流器２０のＤＣ端子に印加される電解電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇに対して電解で消費される電力を示している。電解電流Ｉ＿Ｐ２Ｇの図示の電解特性曲線は、整流器２０のＤＣ端子に印加される電解電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇに対して電解槽に流れる電流を示している。

【0064】

図８は、最大電力Ｐ＿ＭＰＰの動作点ＡＰ２におけるエネルギー変換システム１００の動作を示している。システムは、ＰＶ発電機１２の最大電力点（ＭＰＰ）に対応する電力で動作する。Ｐ＿Ｐ２Ｇ、Ｐ＿ＰＶおよびＰ＿ＡＣ２の特性曲線上の対応する動作点は、それぞれＡＰ２と記されている。

【0065】

動作点ＡＰ２に到達するために、アクティブ整流器２０は、第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２を低下させ、同時に電解電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇを上昇させる。その結果、ＰＶ電圧Ｕ＿ＰＶも低下し、それにより、ＰＶ電力Ｐ＿ＰＶは、デバイス１０の所与の変換比において、生成されるＰＶ電力Ｐ＿ＰＶと消費される電解電力Ｐ＿Ｐ２Ｇとの間に新たな電力平衡が確立されるまで増加する。ＰＶ発電機１２の最大電力に達するまで、ＡＣ／ＤＣ変換比をさらに変化させることができる。これは動作点ＡＰ２に対応する。この動作点ＡＰ２では、Ｕ＿ＡＣ２＝Ｕ＿ＡＣ１＝５００Ｖ、およびＩ＿Ｐ２Ｇ＝７５０Ａ（Ｉ＿Ｐ２Ｇ上のＡＰ２）である。ＰＶ発電機１２では、これはＵ＿ＰＶ＝７５０Ｖ（Ｐ＿ＰＶ上のＡＰ２）に対応する。動作点ＡＰ２に達すると、ＭＰＰトラッキングが開始され、アクティブ整流器２０はＡＣ／ＤＣ変換比を段階的に増加または減少させる。ここで、アクティブ整流器２０は、ＰＶ特性曲線上の動作点と電解特性曲線上の動作点間の電圧差を間接的に段階的に減少または増加させ、ＡＣ／ＤＣ変換比のそれぞれの変更後に新たな電力平衡が確立される。ＰＶ発電機がＭＰＰまたは少なくともＭＰＰ付近で動作するように、適切な制御を行うことで、結果として生じる電力フローを検出および最大化することができる。

【0066】

図９は、動作点ＡＰ３におけるエネルギー変換システム１００の動作を示している。この動作モードでは、例えば、可能な限り一定に、すなわち均一にガスを生成すること、例えば一定の生成速度で水素を生成することが目的とされ、あるいは、電解槽１４の公称電力が利用可能なＰＶ電力Ｐ＿ＰＶより小さい場合には、電力制限が必要とされることもある。そのような場合、例えば電解槽１４の電解管理システムは、電解電流Ｉ＿Ｐ２Ｇの電流設定値または電解電力Ｐ＿Ｐ２Ｇの電力設定値をアクティブ整流器２０に伝送することができる。

【0067】

開始状態（図７を参照）から開始して動作点ＡＰ３に到達するために、アクティブ整流器２０は、第２の電解電流Ｉ＿Ｐ２Ｇの所望の設定値に達するまで、または電解電力Ｐ＿Ｐ２Ｇの所望の設定値に達するまで、電解電圧Ｕ＿Ｐ２Ｇと第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２との間の広がりを増大させる。これは動作点ＡＰ３に対応する。この動作点ＡＰ３における電解電流Ｉ＿Ｐ２Ｇが、Ｕ＿ＰＶとＵ＿Ｐ２Ｇとの間の所与の距離において、例えばＰＶ発電機１２の日射の減少に起因して、電流設定値よりも小さくなる場合、アクティブ整流器２０は、ＡＣ－ＤＣ変換比を変更することによりＵ＿ＰＶとＵ＿Ｐ２Ｇとの間の距離を増加させ、その結果、ＰＶ電圧Ｕ＿ＰＶが減少し、それにより、デバイス１０の所与の変換比において、生成されるＰＶ電力Ｐ＿ＰＶと消費される電解電力Ｐ＿Ｐ２Ｇとの間に新たな均衡が確立されるまで、ＰＶ特性曲線に沿ってＰＶ電力が増加する。電力出力Ｐ＿Ｐ２Ｇが電力設定値を下回る場合も同様である。電力設定値または電流設定値で必要とされる電力が、ＰＶ発電機１２の現在可能な最大電力を下回る限り、所望の動作点ＡＰ３はここで保持される。

【0068】

特に図７、図８、図９を参照して説明した制御は、説明したように、アクティブ整流器２０、特にアクティブ整流器２０のコントローラによって、代替的または追加的にはデバイス１０の制御ユニットによって、実行することができる。

【符号の説明】

【0069】

１０ 電気エネルギーを変換するためのデバイス
１２ ＰＶ発電機
１４ 電解槽
１６ インバータ
１７ インバータ
１８ 変圧器
２０ 整流器
２２ 補助電源
２４ スイッチ
２６ エネルギー貯蔵装置
２８ ＡＣグリッド
１００ エネルギー変換システム
ＡＰ１、ＡＰ２、ＡＰ３ 動作点
Ｉ 電流
Ｖ 電圧
Ｐ 電力
Ｉ_Ｓ／Ｃ 短絡電流
Ｕ_Ｏ／Ｃ 開回路電圧
Ｍ_ＰＰ 最大電力点
Ｕ_Ｚ 開始電圧
Ｕ＿ＰＶ ＰＶ電圧、第１のＤＣ電圧
Ｉ＿ＰＶ ＰＶ電流、第１のＤＣ電流
Ｕ＿Ｐ２Ｇ 第２のＤＣ電圧、電解電圧
Ｉ＿Ｐ２Ｇ 第２のＤＣ電流、電解電流
Ｕ＿ＡＣ１ 第１のＡＣ電圧
Ｉ＿ＡＣ１ 第１のＡＣ電流
Ｕ＿ＡＣ２ 第２のＡＣ電圧
Ｉ＿ＡＣ２ 第２のＡＣ電流
Ｐ＿ＰＶ ＰＶ電力
Ｐ＿Ｐ２Ｇ ＤＣ電力
Ｐ＿ＡＣ ＡＣ電力
Ｐ_ｍｐｐ ＭＰＰ電力
Ｉ_ｍｐｐ ＭＰＰ電力での電流
Ｕ_ｍｐｐ ＭＰＰ電力での電圧

【図1】

【図2】

【図3a)】

【図3b)】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【誤訳訂正書】

【提出日】2024-08-07

【誤訳訂正1】

【訂正対象書類名】明細書

【訂正対象項目名】００４３

【訂正方法】変更

【訂正の内容】

【0043】

電解動作モードでは、インバータ１６が、そのＡＣ側に印加される第１のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ１（すなわち、ＡＣ／ＡＣ変圧比を使用して変圧器１８で変換される整流器２０における第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２）を、そのＤＣ側の第２のＤＣ電圧Ｕ＿ＰＶに変換し、それが、電解動作モードにおいてＰＶ発電機１２に印加される。ここで、インバータ１６は、固定のＤＣ／ＡＣ変換比を使用することが好ましく、ＰＶ発電機の電圧Ｕ＿ＰＶが、以下の関係を介して、整流器２０の設定された第２のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ２に直接関数的に依存する。

換言すれば、インバータ１６は、ＤＣ電圧Ｕ＿ＰＶからＡＣ電圧を生成し、このＡＣ電圧は、整流器２０によって設定され、場合によっては変圧器１８を介してスケーリングされる第１のＡＣ電圧Ｕ＿ＡＣ１に従うものであり、ＰＶ電圧Ｕ＿ＰＶでＰＶ電力Ｐ＿ＰＶから生じる電流を供給する。ＤＣ／ＡＣ変換比、よって電力平衡におけるＵ＿ＰＶとＵ＿ＡＣ１の比を一定に保つことができる。

【国際調査報告】