用于大电流负载的供电装置和具有供电装置的设备的制作方法

本技术涉及一种用于大电流负载的供电装置。

背景技术：

1、大电流负载是需要多于1ka、尤其多于5ka的大电流的耗电器。关于大电流负载的示例是电弧炉和电解装置。产业规模(尤其在100mw以上的功率范围内)的大电流负载的供电或连接目前大多在使用高压或中压组件和相应的功率电子器件的情况下实施。这尤其包括高压和中压变压器、大电流整流器电路和类似物。然而，目前使用的解决方案不能随功率扩展或者只能有条件地随功率扩展：当功率增加时，用于变压器和整流器电路或功率电子器件的成本的份额比例过大地增加。

2、连接海上风电场(offshore-windpark)以向电解装置供应能量的可能示例在图1和图2中示出。在图1中，由多个风力涡轮机2a-2c组成的风电场1以分散的方式连接。为此，每个风力涡轮机2a-2c通过自己的涡轮机固有的发电机3a-3c和涡轮机固有的变流器4a-4c并且通过与相应的风力涡轮机相关联的变压器5a-5c(具有也相关联的整流器6a-6c)与相应的电解装置7a-7c连接。借助电解装置7a-7c产生的燃气被输送给中央海上燃气终端8并且随后借助合适的燃气运输基础设施(例如燃气管道、lng油轮或重整甲醇)9运输到陆地。

3、风电场的中央集成在图2中示出。根据图2的示例，风力涡轮机1a-lc通过中央海上变压器10与中央整流器11连接。中央整流器11供应电能以用于运行电解装置12。在图1和图2中示出的实现示例只能在海上区域中以非常大的开销执行。在这些解决方案中，尤其需要特定于燃气的海上基础设施和下游的加工和运输系统，以便将化学结合的能量从海上区域运输到岸上区域。

4、根据现有技术的用于电解装置21的供电装置20的示例在图3中示出。供电装置20包括基于晶闸管的变流器22，其可以在交流电压侧借助电网变压器24与交流电压网络连接。变流器电流idc和变流器电压vdc可以在变流器22的直流电压侧产生并且可以用于为电解装置21供电。可以看出，供电装置20的可扩展性相对有限。随着电解装置21的增加的电连接功率，可以预期在功率电子器件方面的、尤其电网变压器24和变流器22的整流器电路的比例过大地增加的成本。

5、出于上述原因，存在对在产业规模的大电流负载的能源供应方面的创新解决方案的高需求。

技术实现思路

1、本实用新型的技术问题在于，提出一种用于大电流负载的供电装置，该供电装置尤其在高功率的情况下尽可能高效且低成本并且尽可能可靠。

2、根据本实用新型，该技术问题通过一种用于大电流负载的供电装置来解决，该供电装置具有电压转换器，其中，电压转换器包括第一子变流器和第二子变流器，其中，子变流器在变流器串联电路中彼此连接在第一和第二初级侧直流电压极之间，其中，第二子变流器连接在第一和第二次级侧直流电压极之间，其中，子变流器分别具有至少一个交流电压接头，其借助耦合装置彼此连接，从而实现在第一和第二子变流器之间的电功率的交换，其中，次级侧直流电压极被设置为与大电流负载连接。电压转换器的初级侧直流电压极包括初级侧直流电压接头，其用于与初级侧直流电压网络连接。同时，电压转换器的次级侧直流电压极包括次级侧直流电压接头，其用于与次级侧直流电压网络连接。由于变流器串联电路的介电强度大于两个子变流器之一的介电强度，因此初级侧直流电压网络可以具有大于次级侧直流电压网络的运行电压的运行电压。因此可以将初级侧直流电压接头称为上电压侧并且将次级侧直流电压接头称为下电压侧。耦合装置被设置为将存在于第一子变流器处的过剩功率传输到第二子变流器。根据本实用新型的供电装置的一个优点是其在要产生的电压方面以及在要供应的输出电流方面的可扩展性。此外，与现有技术相比，根据本实用新型的供电装置示出更高的功率电子效率和必要时在耦合装置中使用的变压器的更低的电流负载。

3、第一子变流器适当地包括至少一个第一相支路，该第一相支路在第一初级侧直流电压极和第一次级侧直流电压极之间延伸，并且在该第一相支路中布置有功率半导体和第一交流电压接头。此外，第二子变流器包括至少一个第二相支路，该第二相支路在第一次级侧直流电压极和第二次级侧直流电压极之间延伸，并且在该第二相支路中布置有功率半导体和第二交流电压接头，其中，交流电压接头借助耦合装置彼此连接。功率半导体合适地是可控制的可接通和/或关断的功率半导体开关，该功率半导体开关可以借助适当的调节装置或控制装置进行控制。每个相支路中的功率半导体的相应数量基本上是任意的，并且可以适配于相应的应用。供电装置在电压方面的可扩展性尤其由可相应地确定的所使用的功率半导体的数量得出。供电装置在电流方面的可扩展性由以下事实得出：每个子变流器中的相支路的数量基本上也是任意的并且可以适配于相应的应用。为此目的，每个子变流器可以为此包括多个并联连接的例如相同地构造的相支路。

4、耦合装置合适地包括耦合变压器，其初级侧或初级绕组与第一子变流器的第一交流电压接头连接，并且次级侧或次级绕组与第二子变流器的第一交流电压接头连接。以这种方式，实现了具有交流电压接头之间的电流隔离的两个子变流器的电感耦合。为了能够实现到所连接的交流电压系统中的附加的分支，也可以适当地使用具有相似功能性的三绕组变压器或耦合装置，如下面还要进一步解释的那样。

5、如上面已经讨论的，供电装置可以特别有利地在大电流负载中使用，该大电流负载是电解装置(或燃料电池)或电弧炉装置。

6、根据本实用新型的一种实施方式，第二子变流器是电网换相子变流器、尤其是基于晶闸管的子变流器。电网换相变流器的特征尤其在于，换相过程在其运行中通常由所连接的电网确定。电网换相(line-commutated)变流器可以包括能够接通但不能关断的功率半导体。与之相应地，基于晶闸管的子变流器在其相支路中、优选地在每个相支路中包括晶闸管的串联电路。电网换相子变流器的使用有利地允许了鲁棒的系统设计并且可以在特别大的功率范围上进行扩展。

7、第二子变流器可以是无源子变流器、尤其是基于二极管的子变流器。基于二极管的子变流器在其每个相支路中包括功率二极管的串联电路。通过使用诸如二极管的无源功率半导体可以实现特别鲁棒的系统设计。

8、根据本实用新型的另一种实施方式，第二子变流器是基于双晶闸管的子变流器(反并联晶闸管)。为此，子变流器在其每个相支路中包括晶闸管开关单元的串联电路，其中，每个晶闸管开关单元具有反并联连接的晶闸管。借助这种双向晶闸管桥可以实现能量反馈。在连接了可逆的电解装置/燃料电池装置的情况下，h2的转换回电能会在工艺过程中导致更低的直流电压，因此此处的特别的优势在于，下电压侧的直流电压可以可变地降低至0kv。

9、在此应该注意的是，上面讨论的所有电网换相(line-commutated)拓扑都可以设计为六脉冲(sechs-pulsig)，但也可以设计为更高的脉冲(12，18，...)。此外，相应的子变流器可以被设计为具有任意的相数量。

10、根据本实用新型的一种优选的实施方式，第一子变流器是所谓的模块化多电平变流器(modular multilevelconverter，mmc)。mmc在(每个)相支路中包括开关模块的串联电路。每个开关模块具有可关断的功率半导体和以开关模块电容器形式的能量存储器。开关模块可以在相支路中适当地分组，从而形成两个换流器臂，在这两个换流器臂之间布置有交流电压接头。如果第一子变流器被设计为mmc并且第二子变流器被设计为电网换相变流器或无源变流器，则mmc的优异的电压可扩展性可以以特别有利的方式与第二子变流器的高载流能力相结合。

11、第一子变流器可以包括开关模块、尤其半桥开关模块，借助该开关模块可以产生单极性的开关模块电压。这类开关模块的特征尤其在于，在其接头处可以产生正的开关模块电压(其对应于存在于相关开关模块的能量存储器处的能量存储器电压)或零电压。这种开关模块的优点是其相对简单的结构和在运行中的相对较低的损耗。在该配置中，可以实现供电装置的特别高的效率。

12、作为对此的替换，第一子变流器可以包括开关模块、尤其全桥开关模块，借助该开关模块可以产生双极性的开关模块电压。全桥开关模块的特征在于，在其接头处可以产生双极性的电压、即正的和负的开关模块电压。开关模块电压的量值基本上对应于存在于全桥开关模块的能量存储器处的能量存储器电压。这类开关模块具有优点，即在必要时能够建立反电压。因此，可以防止或避免下电压侧(大电流侧)对直流故障的反馈。因此，以这种方式，在上电压侧发生短路的情况下，可以有利地实现对子变流器的保护。

13、根据本实用新型的一种实施方式，第一子变流器和第二子变流器都包括半桥开关模块和/或全桥开关模块。如果第一和第二子变流器都基于晶体管或设计为mmc，则次级侧或者说直流下电压侧的直流电压电流和直流电压转换器处的次级侧输出电压都可以几乎最优地设置。此外，可以有利地将电流谐波和电压谐波的份额最小化。作为对此的替换，尤其第二子变流器可以由于相对较低的直流输出电压而被设计为现有技术中已知的2电平或3电平变流器。

14、可能有利的是，设置直流电压断路器，该直流电压断路器与初级侧或上电压侧的直流电压极之一连接。这种直流电压断路器(dc breaker)可以用于防止在直流电压转换器的上电压侧上的短路。

15、电压转换器优选地被设计用于初级侧电压与次级侧电压之间的电压变换比为2到20的电压转换。直流电压转换器的功率范围优选地位于1mw和1000mw之间。上电压侧上的直流电压匹配于功率范围地扩展为大约从1kv直至高于1mv边界。

16、合适地，两个子变流器分别至少双相地设计。因此，第一子变流器包括至少一个第三相支路，该第三相支路在第一初级侧直流电压极和第一次级侧直流电压极之间延伸，并且在该第三相支路中布置有功率半导体和第三交流电压接头。相应地，第二子变流器包括至少一个第四相支路，该第四相支路在第一次级侧直流电压极和第二次级侧直流电压极之间延伸，并且在该第四相支路中布置有功率半导体和第二交流电压接头。该布置可以以所示方式相应地扩展到三相或更多相。

17、根据本实用新型的一种优选的实施方式，耦合装置具有耦合接头，该耦合接头被设置为用于将设备与交流电压网络连接。由此可以将功率与交流电压网络进行交换。以这种方式，可以将供电装置与直流电压网络和交流电压网络连接。耦合接头优选地是耦合变压器的三次绕组。每个子变流器也可以与之相关地设置2绕组变压器而不是3绕组变压器。

18、考虑到进一步增加下电压侧的连接功率或电压转换器的下电压侧上的直流电流，供电装置或电压转换器可以包括第三子变流器，其在变流器并联电路中与第二子变流器连接。第三子变流器和必要时另外的子变流器可以但不一定必须以与第二子变流器相同的方式设计。

19、本实用新型还涉及一种用于将电能转换为化学能以产生氢气/燃气的设备。这样的过程例如可以存在于电解中，在电解中，电能被转换为作为化学能的能量载体的燃气。燃气例如可以是氢气。在电解之后，所产生的燃气借助相应的管线(例如管道)输送到消耗地点。

20、这种设备可以在前面已经描述的将风电场连接到电解装置的语境中使用。

21、本实用新型要解决的技术问题是，说明一种这样的设备，其在制造和运行中尽可能低成本并且尽可能可靠。

22、根据本实用新型，该技术问题通过一种用于将电能转换为化学能以产生燃气的设备来解决，该设备包括能量产生装置以及根据本实用新型的供电装置，借助该能量产生装置可以提供电能并且借助直流电传输线路可以传输电能，其中，供电装置在初级侧与直流电传输线路连接。根据本实用新型的设备的优点尤其由根据本实用新型的供电装置的已经提及的优点得出。

23、能量产生装置适当地包括整流器，能量产生装置借助该整流器与直流电传输线路连接。因此，电能首先被馈入到交流电压网络中并且借助整流器转换为直流电压。这实现了例如风电场的连接，该风电场通常产生交流电压。整流器也可以是单向整流器、例如二极管整流器。

24、根据本实用新型的一种实施方式，直流电压转换器的耦合装置具有与供电网络连接的耦合接头。因此，供电装置可以在初级侧与整流器连接并且在次级侧与电解装置连接。附加地，供电装置可以与供电网络连接。以这种方式，使得能够将通过直流电压网络或直流电压导线传输的能量用于，一方面为电解装置供应能量，另一方面例如在必要时将过剩的能量馈入到供电网络中或者还根据需要进行提取。附加地，可以将化学结合的能量作为电流重新反馈到供电网络中并且将氢气在没有附加的再转换装置的情况下转换回电能(可逆的电解/燃料电池运行)。