WO2024142379A1 - Power control system and hydrogen production system - Google Patents
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Definitions
- the installation of the electrolytic cell transformer requires a large current, which requires a large footprint and is very heavy, resulting in increased construction costs. It is also possible to connect AC/DC converter-electrolytic cell pairs in series in several dozen stages, so that the system side processes the electricity without passing through the electrolytic cell transformer. In this case, no dedicated transformer is required, which alleviates the issues of footprint area and weight when installing the system.
- a more specific configuration of the present invention is a power control system for a hydrogen generation system that generates hydrogen from saltwater using a plurality of electrolytic couples connected in series to each other, the electrolytic couples being composed of a plurality of electrolytic cells that store saltwater and a first AC/DC converter that supplies power to the electrolytic cells.
- a hydrogen production system that generates hydrogen from seawater, salt water, etc. (hereinafter simply salt water) stored in an electrolytic cell in response to supplied power (electricity).
- the hydrogen production system has a power supply unit, an electrolytic couple, a dummy couple, and a calculation unit.
- the power supply unit is a source of power for hydrogen production.
- the electrolytic couple is composed of an electrolytic cell and a plurality of AC/DC converters that supply power, particularly DC power, to the electrolytic cell.
- the dummy couple is composed of an AC/DC converter and a capacitor.
- the calculation unit controls the power, particularly the voltage, for hydrogen production.
- the arithmetic device creates and outputs control commands for the first AC/DC converter and the second AC/DC converter, and controls them.
- These control commands include current command values for the first AC/DC converter and the second AC/DC converter.
- the current command value for the second AC/DC converter is referred to as the current command value to the electrolytic cell.
- the power supply device 15 supplies AC power for hydrogen generation to each electrolytic couple 100.
- the power supply device 15 may be an external power plant or substation of an electric power company or the like, or may be a power plant or substation managed by the organization that operates the hydrogen production system 1.
- electrolytic cell 13 is driven with a current value different from that of the other electrolytic cells, this will have a greater effect.
- FIG. 4 is a diagram showing the relationship between voltage and current when the current command value is lowered to explain the problem of the first embodiment.
- the left diagram of FIG. 4 shows the relationship between voltage and current in the electrolytic cell A 13A
- the right diagram shows the case where the current command value of the electrolytic cell B 13B is lowered to i'B .
- the (electrolysis) voltage drops from a predetermined value to v'B according to the IV curve in the electrolytic cell B 13B.
- the voltage on the system side of the corresponding AC/DC converter 11B drops according to the drop to v'B .
- the electrolytic current i'B also changes and the system side current is common, the voltage V'inB on the system side drops by a square factor.
- the hydrogen production system 1 of Example 1 further includes a calculation device 14. That is, the hydrogen production system 1 of Example 1 includes a dummy pair 10, a plurality of electrolytic couples 100, a calculation device 14, and a power supply device 15. First, the dummy pair 10 includes an AC/DC converter 11 and a capacitor 12. Therefore, formally, the hydrogen production system 1 of FIG. 5 is different from the hydrogen production system 1 of FIG. 2A in that the electrolytic couples 100x are replaced with dummy pairs 10, and a calculation device 14 is added. Below, the hydrogen production system 1 of Example 1 will be described, focusing on these differences.
- the dummy pair 10 is also intended to compensate and correct the voltage on the system side.
- the dummy pair 10 has an AC/DC converter 11 and a capacitor 12, which are connected.
- the AC/DC converter 11 is connected to the power supply unit 15, that is, it is provided on the system side and converts the alternating current supplied from the power supply unit 15 into direct current.
- the AC/DC converter 11 has the same functions as the AC/DC converters 11A and 11B, but its specifications may be different.
- the capacitor 12 is a part that can input energy (e.g., electricity) supplied from the AC/DC converter 11.
- energy e.g., electricity
- inputting energy includes storing and consuming energy. Therefore, in addition to a so-called capacitor, a storage battery or a resistor can be used as the capacitor 12.
- the output unit 143 outputs a control command including the calculated voltage command value to the AC/DC converter 11.
- the memory unit 144 stores information and programs used to calculate the voltage command value. It is preferable that the voltage command value calculation unit 142 calculates a current command value and an electrolytic cell voltage for the electrolytic cell. These may be calculated in a separate location from the voltage command value calculation unit 142.
- the output unit 143 outputs control commands including a current command value and an electrolytic cell voltage to the first AC/DC converter and the second AC/DC converter to control them.
- the current command value and the electrolytic cell voltage include a current command value i when the operation of the first AC/DC converter satisfies a predetermined condition, for example, when the current command values are evenly balanced.
- the voltage of AC/DC converter 11A after balancing is as shown in the following (Equation 10).
- V'inA V G /(N-1+ ⁇ )
- V'inB ⁇ V G /N... (Equation 10)
- the product of ⁇ and ⁇ is used instead of ⁇ 2 in (Equation 9). This is because the deviation in the electrolysis voltage caused by the deviation in the electrolysis current value ⁇ is a measurable deviation ⁇ . Therefore, the calculation device 14 calculates a voltage command value for the AC/DC converter 11, which will be described below.
- the input unit 141 receives, as input information, a current command value i when the first AC/DC converter is evenly balanced and the electrolytic cell voltage v before deterioration. More specifically, the following information is used as the input information: (1) electrolysis current command value when evenly balanced (for example, average current command value): i, (2) electrolysis voltage value before deterioration (new product or rated value): v, (3) individual electrolysis current command value: iK , and (4) electrolytic cell voltage vk . Note that (3) and (4) are preferably actual measured values.
- the voltage command value calculation unit 142 calculates a voltage command value using the input information. That is, the voltage command value calculation unit 142 calculates the voltage command value VDM according to the following (Equation 11).
- ⁇ K i K /i
- ⁇ K v k /v
- At least a portion of the input information and ⁇ and ⁇ may be stored in the storage unit 144 .
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Abstract
Description
本発明は、電気分解を用いた電力制御システムおよび水素製造システムなどの電解システムに関する。 The present invention relates to electrolysis systems, such as power control systems and hydrogen production systems, that use electrolysis.
現在、低炭素社会の実現に向けて、化石燃料を利用した火力発電に代わり太陽光や風力などの再生可能エネルギー(再エネ)を利用した発電が活発になってきている。しかし、再エネによる電力は自然現象に起因して変動が大きいため、そのまま系統電力の代替になりえないし、また系統を不安定にする要因にもなる。そこで、再エネによる電力から水の電気分解を用いて水素に変換、利用するグリーン水素の市場が急拡大している。 Currently, in an effort to realize a low-carbon society, power generation using renewable energy sources such as solar and wind power is becoming more common, replacing thermal power generation using fossil fuels. However, electricity from renewable energy sources fluctuates greatly due to natural phenomena, so it cannot directly replace grid power and can also cause grid instability. As a result, the market for green hydrogen, which uses renewable electricity to convert it into hydrogen using water electrolysis, is expanding rapidly.
再エネの電力で電気分解を実施する方式は、直接再エネサイトのある現地で再エネ電力を電解槽に投入する方式だけにとどまらず、いったん再エネ電力を現地で系統に逆潮させてから、隔地の変電所や事業所などで系統からの電力を投入する方式がある。特に、100MW級の大容量の電解システムは後者の構成をとり、系統経由で再エネの余剰電力を吸収するともに、系統周波数の安定化のような調整力を提供する手段として期待されている。また、変電所に設置されるような大規模電解システムでは、数段階に分けて系統電圧(数10KV)から電解槽に適した電圧(数100V)まで変圧器で降圧する。さらに交流/直流交流/直流変換器(AC/DCコンバータ)を経て電解槽に接続する構成であった。大規模電解システムでは複数の電解用変圧器-AC/DCコンバータ-電解槽の対を並列に接続してスケールアップを図ってきた。 The method of electrolysis using renewable energy power is not limited to the method of directly feeding renewable energy power into an electrolytic cell at the renewable energy site, but also includes a method of first feeding the renewable energy power back into the grid at the site and then feeding the power from the grid at a remote substation or business. In particular, large-capacity electrolysis systems of the 100MW class adopt the latter configuration, and are expected to absorb surplus renewable energy power via the grid and provide adjustment power such as stabilizing the grid frequency. In addition, in large-scale electrolysis systems such as those installed in substations, the system voltage (several tens of kV) is stepped down in several stages using a transformer to a voltage suitable for the electrolytic cell (several hundreds of V). Furthermore, the system is configured to connect to the electrolytic cell via an AC/DC converter. In large-scale electrolysis systems, multiple pairs of electrolysis transformers - AC/DC converters - electrolytic cells have been connected in parallel to scale up.
非特許文献1で代表される従来の大規模電解システムの電気回路に関する構成を、図1Aに示す。図1Aにおいて、系統の交流電圧(実効値で数100~数10KV)を一度配電レベルの交流電圧に降圧して、そこへ複数の変圧器をさらに接続して数100Vまで落とす。図1Aに示す構成では、水の電気分解は直流で行うので、交流から直流に変換する整流器と電流制御回路からなるAC/DCコンバータを通して電解槽に電力を投入する。このように、図1Aでは、配電用変圧器から見て、電解用変圧器-AC/DCコンバータ-電解槽の対が並列に接続された構成を示している。この図1Aの構成は、配電までは変電所の設備を活用できるが、2段目の電解槽用変圧器の設置はフットプリント面積を多くとり非常に重量が大きくなる。このことは用地コストや変圧器などの具材を含む建設コストを上げる要因となってきた。
The configuration of the electrical circuit of a conventional large-scale electrolysis system as represented by Non-Patent
ここで、図1Aに示す大規模電解システムでは、電気回路を並列接続する構成を示すが、図1Bに示すように、電気回路を直列接続する構成も考えられる。より具体的には、AC/DCコンバータ-電解槽のみで構成された対(電解対)を使って、その交流側を数10段直列に接続して、数10kVの配電電圧に合わせる形で直接配電用変圧器に接続している。図1Bに示す直列接続構成では、専用の変圧器を必要としないため、システム設置におけるフットプリント面積やコストの問題が緩和されることが期待される。また、図1Aの並列接続の構成では、AC/DCコンバータの系統側(配電側)の電圧が各電解対において共通である。これに対し、図1Bの直列接続の構成ではAC/DCコンバータの系統側(配電側)電流が全電解対にわたり共通であることと電圧の総和が系統電圧に固定される点が異なる。 Here, in the large-scale electrolysis system shown in Figure 1A, the electric circuits are connected in parallel, but as shown in Figure 1B, a configuration in which the electric circuits are connected in series is also possible. More specifically, pairs (electrolytic couples) consisting of only an AC/DC converter and an electrolytic cell are used, and the AC sides are connected in series in several tens of stages and directly connected to a distribution transformer in a manner that matches the distribution voltage of several tens of kV. The series connection configuration shown in Figure 1B does not require a dedicated transformer, so it is expected that the problems of footprint area and cost in system installation will be alleviated. Also, in the parallel connection configuration of Figure 1A, the voltage on the system side (distribution side) of the AC/DC converter is common to each electrolytic couple. In contrast, the series connection configuration of Figure 1B differs in that the current on the system side (distribution side) of the AC/DC converter is common to all electrolytic couples and the sum of the voltages is fixed to the system voltage.
以上の構成では、電解槽用変圧器の設置は電流も大きいので、フットプリント面積を多くとり非常に重量が大きくなるため、建設コストを上げる要因となってきた。また、AC/DCコンバータ-電解槽の対を、数10段直列に接続して系統側は電解用変圧器を通さずに処理する方法も考えられる。この場合は専用の変圧器を必要としないため、システム設置におけるフットプリント面積や重要の問題が緩和される。 In the above configuration, the installation of the electrolytic cell transformer requires a large current, which requires a large footprint and is very heavy, resulting in increased construction costs. It is also possible to connect AC/DC converter-electrolytic cell pairs in series in several dozen stages, so that the system side processes the electricity without passing through the electrolytic cell transformer. In this case, no dedicated transformer is required, which alleviates the issues of footprint area and weight when installing the system.
しかし、電解槽の電気特性のばらつきや個々の電解槽の状態に合わせた運用方針で個別に制御をさせたい場合、電源の変換効率が悪くなり、個別の電解槽の制御の柔軟性が削減されるなどの課題が生じる。 However, when trying to control each electrolytic cell individually based on an operating policy that takes into account variations in the electrical characteristics of the electrolytic cells and the state of each cell, problems arise, such as a decrease in the power conversion efficiency and reduced flexibility in controlling each individual cell.
本発明では、上記の課題を解決するために、AC/DCコンバータの直流側をキャパシタに接続するダミー対を設けた。例えば、AC/DCコンバータとキャパシタで構成したダミー対を1以上用意し、これらの系統側を直列に接続して系統と接続する構成とする。そして、ダミー対のAC/DCコンバータの系統側の電圧指令値を、電解槽の電流指令値や電圧、つまり、電解槽に接続されたAC/DCコンバータの電流指令値や電圧に従い、変化させて制御する。 In the present invention, to solve the above problem, a dummy pair is provided that connects the DC side of the AC/DC converter to a capacitor. For example, one or more dummy pairs consisting of an AC/DC converter and a capacitor are prepared, and the system sides of these are connected in series to be connected to the system. Then, the voltage command value on the system side of the AC/DC converter of the dummy pair is changed and controlled according to the current command value and voltage of the electrolytic cell, that is, the current command value and voltage of the AC/DC converter connected to the electrolytic cell.
より具体的な本発明の構成は、塩水を貯蔵する複数の電解槽および当該電解槽に電力を供給する第1のAC/DCコンバータで構成される電解対であって、互いに直列接続される複数の電解対を用いて、前記塩水から水素を発生させる水素発生システムについての電力制御システムにおいて、前記複数の電解対と直列接続され、エネルギを投入可能なキャパシタおよび当該キャパシタと接続する第2のAC/DCコンバータで構成されるダミー対と、前記複数の電解槽への電流指令値および前記複数の電解槽の電解槽電圧を含む入力情報を受け付ける入力部と、前記入力情報を用いて、前記第2のAC/DCコンバータに対する電圧の補正値である電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、前記電圧指令値を、前記第2のAC/DCコンバータに出力する出力部を有する演算装置を有する電力制御システムである。また、本発明では、上述の複数の電解対および電力制御システムを有する水素製造システムも含まれる。 A more specific configuration of the present invention is a power control system for a hydrogen generation system that generates hydrogen from saltwater using a plurality of electrolytic couples connected in series to each other, the electrolytic couples being composed of a plurality of electrolytic cells that store saltwater and a first AC/DC converter that supplies power to the electrolytic cells. The power control system has a dummy couple that is connected in series to the plurality of electrolytic couples and is composed of a capacitor that can input energy and a second AC/DC converter that connects to the capacitor, an input unit that receives input information including a current command value to the plurality of electrolytic cells and the electrolytic cell voltage of the plurality of electrolytic cells, a voltage command value calculation unit that uses the input information to calculate a voltage command value that is a correction value for the second AC/DC converter, and an output unit that outputs the voltage command value to the second AC/DC converter. The present invention also includes a hydrogen production system having the above-mentioned plurality of electrolytic couples and the power control system.
本発明によれば、より適切に水素製造システムなどの電解槽を利用した電解槽システムの電力制御を実現できる。 The present invention makes it possible to more appropriately control the power of electrolytic cell systems that use electrolytic cells, such as hydrogen production systems.
以下、図面を用いて発明の一実施形態について説明する。本実施形態では、電解槽に貯蔵された海水や塩水等(以下、単に塩水)から、供給された電力(電気)に応じて水素を発生する水素製造システムを開示する。このために、水素製造システムは、電源装置、電解対、ダミー対および演算装置を有する。まず、電源装置は、水素製造のための電力の供給源である。また、電解対は、電解槽および電解槽に電力、特に直流電力を供給する複数のAC/DCコンバータで構成される。また、ダミー対は、AC/DCコンバータとキャパシタで構成される。さらに、演算装置は、水素製造のための電力、特に、電圧を制御する。そして、これら電解対やダミー対は、直列接続される。なお、電解対を構成するAC/DCコンバータは、第1のAC/DCコンバータ、ダミー対を構成するAC/DCコンバータは、第2のAC/DCコンバータとも称することができる。 Below, an embodiment of the invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, a hydrogen production system is disclosed that generates hydrogen from seawater, salt water, etc. (hereinafter simply salt water) stored in an electrolytic cell in response to supplied power (electricity). For this purpose, the hydrogen production system has a power supply unit, an electrolytic couple, a dummy couple, and a calculation unit. First, the power supply unit is a source of power for hydrogen production. Furthermore, the electrolytic couple is composed of an electrolytic cell and a plurality of AC/DC converters that supply power, particularly DC power, to the electrolytic cell. Furthermore, the dummy couple is composed of an AC/DC converter and a capacitor. Furthermore, the calculation unit controls the power, particularly the voltage, for hydrogen production. These electrolytic couples and dummy pairs are connected in series. Note that the AC/DC converter that constitutes the electrolytic couple can also be called a first AC/DC converter, and the AC/DC converter that constitutes the dummy pair can also be called a second AC/DC converter.
ここで、演算装置は、第1のAC/DCコンバータおよび第2のAC/DCコンバータに対する制御指令を作成、出力し、これらを制御する。この制御指令には、第1のAC/DCコンバータおよび第2のAC/DCコンバータに対する電流指令値が含まれる。なお、第2のAC/DCコンバータに対する電流指令値については、便宜上、電解槽への電流指令値と称する。 Here, the arithmetic device creates and outputs control commands for the first AC/DC converter and the second AC/DC converter, and controls them. These control commands include current command values for the first AC/DC converter and the second AC/DC converter. For convenience, the current command value for the second AC/DC converter is referred to as the current command value to the electrolytic cell.
また、演算装置は、第2のAC/DCコンバータに対する電圧指令値を算出する。この際、演算装置は、各電解槽への電流指令値および各電解槽の電圧を用いて、第2のAC/DCコンバータに対する電圧指令値を算出する。より望ましくは、演算装置は、第1のAC/DCコンバータ、つまり、電解槽が電気的に均等バランスしている場合における電流指令値や劣化前(新品や定格)の電解電圧値を用いることが望ましい。なお、より望ましい入力情報については、後述の実施例で説明する。以上のように、演算装置は、電力制御装置として機能する。さらに、演算装置およびダミー対は、電力制御システムとして構成することができる。またさらに、ダミー対の数は、電解槽に接続されるAC/DCコンバータの変動範囲×個数≦VDMを充足することが望ましい。ここで、VDMとは、第2のAC/DCコンバータに対する電圧の補正値である電圧指令値である。 The arithmetic unit also calculates a voltage command value for the second AC/DC converter. At this time, the arithmetic unit calculates a voltage command value for the second AC/DC converter using a current command value for each electrolytic cell and a voltage of each electrolytic cell. More preferably, the arithmetic unit uses a current command value when the first AC/DC converter, that is, the electrolytic cell, is electrically evenly balanced, and an electrolysis voltage value before deterioration (new or rated). More preferable input information will be described in the following embodiment. As described above, the arithmetic unit functions as a power control device. Furthermore, the arithmetic unit and the dummy pairs can be configured as a power control system. Furthermore, it is preferable that the number of dummy pairs satisfies the fluctuation range x number of AC/DC converters connected to the electrolytic cell ≦ V DM . Here, V DM is a voltage command value that is a correction value of the voltage for the second AC/DC converter.
なお、電解槽やこれにより構成される電解対の数は限定されず、単数であってもよい。さらに、第1のAC/DCコンバータの数は異なっていてもよい。 The number of electrolytic cells and electrolytic couples formed thereby is not limited and may be singular. Furthermore, the number of first AC/DC converters may vary.
以上の構成により、本実施形態では、水素製造のための電力制御を簡便に実現できる。以下では、本実施形態のより具体的な形態を示す各実施例について説明する。 With the above configuration, this embodiment can easily realize power control for hydrogen production. Below, we will explain each example that shows a more specific form of this embodiment.
まず、実施例1における課題について、図2A~図4を用いて、説明する。図2Aは、実施例1の課題を説明するための大規模電解システム(水素製造システム1)の直列接続構成を示す図である。図2Aにおいて、大規模電解システムである水素製造システム1は、複数の電解対100および電源装置15で構成される。
First, the problems in Example 1 will be explained using Figs. 2A to 4. Fig. 2A is a diagram showing a serial connection configuration of a large-scale electrolysis system (hydrogen production system 1) to explain the problems in Example 1. In Fig. 2A, the
ここで、電源装置15は、各電解対100に対して、水素発生のための交流電力を供給する。なお、電源装置15は、電力会社等の外部の発電所や変電所等であってもよいし、水素製造システム1を運用する組織で管理する発電所や変電所等であってもよい。
Here, the
また、電解対100は、電解対x100x、電解対A100Aおよび電解対B100Bを含む。また、各電解対100においては、第1のAC/DCコンバータであるAC/DCコンバータ11x、A、Bおよび電解槽13x、A、Bを有する。つまり、電解槽x100xは、AC/DCコンバータ11xおよび電解槽13xを有する。また、同様に、電解槽A100Aは、AC/DCコンバータ11Aおよび電解槽13Aを有し、電解槽B100Bは、AC/DCコンバータ11Bおよび電解槽13Bを有する。
The
そして、AC/DCコンバータ11x、A、Bは、互いに直列接続される。また、AC/DCコンバータ11x、A、Bのそれぞれは、電源装置15と接続、つまり、電解槽13x、A、Bに対して系統側に設けられ、電源装置15から供給される交流を直流に変換する。また、電解槽x、A、Bのそれぞれは、塩水を貯蔵し、供給される電力に応じて塩水から水素を発生する。なお、AC/DCコンバータ11x、A、Bおよび電解槽13x、A、Bのそれぞれについては、同様の機能を有すればよいが、必ずしも同じスペックを達成しなくともよい。また、その数も、図示したものに限定されない。
The AC/
以上の図2Aに示す水素製造システム1において、電解槽13に、任意の電圧をかけるとIVカーブに沿って電流が流れ、また、その逆も真である。そこで、第2のAC/DCコンバータであるAC/DCコンバータ11は、電解槽13に流れる電流をセンシングし、外部からの電流指令値に対して誤差が0になるように電解槽13にかける電圧を微調整することが必要になる。この具体的な内容を、図2Bを用いて説明する。
In the
図2Bは、実施例1の課題を説明するための電解槽13の典型的な電気特性である電流-電圧特性を示す図である。図2Bに示すように、図2Bに示すように、直列に接続した電解槽A100Aと電解槽B100Bに均等な電流指令値iA=iBを与える場合を想定する。電解槽A100Aと電解槽B100Bのそれぞれに印加される電圧はそれぞれvA、vBであり、特性が同じであれば両電圧は一致する。
Fig. 2B is a diagram showing current-voltage characteristics, which are typical electrical characteristics of electrolytic cell 13, to explain the problem of Example 1. As shown in Fig. 2B, assume that equal current command values iA = iB are given to
ここで、AC/DCコンバータ11A、Bの効率が1と仮定すると、AC/DCコンバータ11A、Bの電解槽側の電圧、電流の積である電力は系統側の交流電圧(実効値V)と交流電流(実効値I)の積(電力)と同じである。そして、電流はIで共通なため、それぞれの系統側の電圧VinAとVinBは同じ値となる。これら電解槽A13Aと電解槽B13Bに限らず各電解槽13に同じ電流指令値を与える場合、系統電圧を均等に分割したものが各AC/DCコンバータ11の入力電圧となる。また、電解対100の個数がn、系統電圧がVGであれば、VG/nである。
Here, if we assume that the efficiency of AC/
すなわち、以下のとおりの数式で特定できる。
AC/DCコンバータ11前後の電力(変換効率100%として):VinA*I=vA*iA・・・(数1)
AC/DCコンバータ11の系統側電圧(各AC/DCコンバータで同じ条件):ΣVIN=VG、つまり、VIN=VG/n・・・(数2)
また、水素製造システム1を設計する段階で、AC/DCコンバータ11の系統側電圧Vinは電解槽13の出力電圧vのある範囲をもって最大の変換効率が実現できるように設定される。この様子を、図2Cのグラフに示す。図2Cは、実施例1の課題を説明するための出力電圧と変換効率を示す図である。逆に、AC/DCコンバータ11の設計仕様と電解槽13の出力電圧が決まった以降は、図2Cのvinとvの関係を維持する必要がある。しなければならない。
That is, it can be specified by the following formula.
Power before and after AC/DC converter 11 (assuming conversion efficiency of 100%): V inA *I = v A *i A ... (Equation 1)
System side voltage of AC/DC converter 11 (same conditions for each AC/DC converter): ΣV IN =V G , that is, V IN =V G /n (Equation 2)
Furthermore, at the stage of designing the
ここで、図3に示すのように電解槽B13Bが劣化などでIVカーブが変化した場合、同じ電流を維持するにかける電圧がvBからv’B に変化したとする(劣化に場合は、多くの場合電圧が高くなる)。また、電流指令値は同じ値であるため、この電解電圧の上昇につられて該当するAC/DCコンバータ11の系統側の電圧V’inBも高くなる。また、電解槽13の電圧の変化の度合いがβとすると、以下の数式のとおりそのまま系統側電圧にもβだけ反映される。
VinA*I=vA*iA、VinB*I=v’B*iBの場合
v’B=βvA・・・(数3)
AC/DCコンバータ前後の電力(変換効率100%として)
VinB*I=v’B*iB=βVinA・・・(数4)
バランス後のAC/DCコンバータの電圧
V‘inA =VG/(n-1+ β)・・・(数5)
V’inB =βVG/n・・・(数6)
ここで、直列接続されているAC/DCコンバータ11の系統側の合計電圧はVGであるので、相対的に他の電圧が下がることになる。例えば、電解槽A100Aの系統側の電圧V’inAで示される。この場合、電流を維持しようとするとAC/DCコンバータ11Aのスペックの上限付近で動作することになるか、スペックを超えてしまい変換動作できなくなることが考えられる(図3左側のグラフを参照)。このような場合、数10個程度の電解槽13で1つの電解槽の特性が変わる場合は影響が小さいと考えられるが、特性変化する電解槽13の数が増えてくるとそれが無視できなくなる。
Here, as shown in Fig. 3, if the IV curve of the
When V inA *I=v A *i A and V inB *I=v' B *i B
v' B = βv A ... (Equation 3)
Power before and after AC/DC converter (assuming 100% conversion efficiency)
V inB *I = v' B *i B = βV inA ... (Equation 4)
AC/DC converter voltage after balancing
V'inA = V G /(n-1+ β) ... (Equation 5)
V'inB =βV G /n (Equation 6)
Here, the total voltage on the system side of the AC/
また他の電解槽とは異なる電流値で電解槽13を駆動させる場合は、より多くの影響を及ぼすことになる。 Furthermore, if electrolytic cell 13 is driven with a current value different from that of the other electrolytic cells, this will have a greater effect.
また、図4は、実施例1の課題を説明するための電流指令値を下げた場合の電圧と電流の関係を示す図である。図4の左図は、電解槽A13Aにおける電圧と電流の関係を示し、右図が電解槽B13Bの電流指令値を下げてi’Bとした場合を示す。右図において、電解槽B13BにおけるIVカーブに従い、(電解)電圧は所定の値から下がりv’Bとなる。該当するAC/DCコンバータ11Bの系統側の電圧は、v’Bへの低下に応じて下がる。但し、電解電流i’Bも変化しつつ系統側電流は共通なので、系統側の電圧V’inBは2乗のファクタで低下することになる。つまり、以下の数式に示すように、電解槽における電流指令値の変化の度合いがαだとすると、系統側の電圧はα2となる。
VinA*I=vA*iA,VinB*I=v’B*i’Bとすると、
v’B =αvA・・・(数7)
AC/DCコンバータ前後の電力(変換効率100%とした場合)
VinB*I=v’B*i’B=α2VinA・・・(数8)
バランス後のAC/DCコンバータの電圧
V‘inA=VG/(N-1+ α2),V’inB=α2VG/N・・・(数9)
そして、この変化を補うように他のAC/DCコンバータの系統側電圧が上がる。この結果、図4左図で示すような効率の良い領域での変換動作ができなくなる。数10個の電解槽13で1つの特性が変わる場合は影響が小さいと考えられるが、特性変化する数が増えてくると、その特性の変化を無視できなくなる。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between voltage and current when the current command value is lowered to explain the problem of the first embodiment. The left diagram of FIG. 4 shows the relationship between voltage and current in the electrolytic cell A 13A, and the right diagram shows the case where the current command value of the
Let V inA *I=v A *i A and V inB *I=v' B *i' B , then
v' B = αv A ... (Equation 7)
Power before and after AC/DC converter (assuming conversion efficiency of 100%)
V inB *I = v' B *i' B = α 2 V inA ... (Equation 8)
AC/DC converter voltage after balancing
V'inA = V G /(N-1+ α 2 ), V'inB = α 2 V G /N... (Equation 9)
Then, to compensate for this change, the system side voltage of the other AC/DC converters rises. As a result, conversion operation in the efficient region as shown in the left diagram of Figure 4 cannot be performed. If the characteristics of one of several dozen electrolytic cells 13 change, the impact is thought to be small, but as the number of characteristics that change increases, the change in characteristics cannot be ignored.
以上のような、特性の変化を低減するために、実施例1では、図5に示す構成を採用した。図5は、実施例1における水素製造システム1の構成図である。図5に示すように、実施例1では、直列接続されたAC/DCコンバータ11A、AC/DCコンバータ11Bを含む電解対A100A、電解対B100Bに加え、ダミー対10を設けた。ダミー対10の数は、1以上であればよく、その数は限定されない。そして、ダミー対10は、各電解対と直列接続する。
In order to reduce the above-mentioned changes in characteristics, the configuration shown in FIG. 5 is adopted in Example 1. FIG. 5 is a configuration diagram of a
また、実施例1の水素製造システム1には、さらに演算装置14を有する。すなわち、実施例1の水素製造システム1は、ダミー対10、複数の電解対100、演算装置14および電源装置15を有する。まず、ダミー対10は、AC/DCコンバータ11およびキャパシタ12を有する。このため、形式的には、図5の水素製造システム1は、図2Aの水素製造システム1と比較して、電解対100xがダミー対10に置き換えられ、演算装置14が追加されている。以下、これらの相違を中心に、実施例1の水素製造システム1について、説明する。
The
また、ダミー対10は、系統側の電圧を補償、補正するためのものである。このために、ダミー対10は、AC/DCコンバータ11およびキャパシタ12を有し、これは接続されている。そして、AC/DCコンバータ11は、電源装置15と接続、つまり、系統側に設けられ、電源装置15から供給される交流を直流に変換する。AC/DCコンバータ11は、AC/DCコンバータ11Aや11Bと同様の機能を有するが、そのスペックは異なってもよい。
The
また、キャパシタ12は、AC/DCコンバータ11から供給されるエネルギ(例えば、電気)を投入可能な部位である。ここで、エネルギの投入とは、蓄積や消費を含む。このため、キャパシタ12として、いわゆるコンデンサの他、蓄電池や抵抗を用いることができる。
The
また、演算装置14は、上述のとおり、電力制御装置として機能する。このために、演算装置14は、ダミー対10のAC/DCコンバータ11に対する電圧指令値を算出する。この電圧指令値は、電解槽13の特性変化による電圧のずれや電解電流指令値の変更に起因するダミー対10のAC/DCコンバータ11の系統側の電圧変動分、つまり、AC/DCコンバータ11に対する電圧の補正値を示す。このため、演算装置14は、各電解槽13A、Bに対する電流指令値(i)および各電解槽13A、Bの電圧(v)を用いて、AC/DCコンバータ11に対する電圧指令値を算出する。
Furthermore, as described above, the
以下、演算装置14の詳細について、説明する。まず、演算装置14の構成について説明する。図6は、実施例1における演算装置14の機能ブロック図である。図6に示すように、演算装置14は、入力部141、電圧指令値算出部142、出力部143および記憶部144を有する。入力部141は、電圧指令値算出部142での電圧指令値の算出のために用いる入力情報を受け付ける。また、電圧指令値算出部142は、入力情報を用いて、電圧指令値を算出する。そして、出力部143は、ダミー対10のAC/DCコンバータ11に、電圧指令値を含む制御指令を出力する。この演算装置14は、いわゆるコンピュータで実現できる。この場合、専用のハードウェアで実現してもよいし、ソフトウェアであるプログラムに従って演算をおこなってもよい。後者の場合、電圧指令値算出部142はCPUのようなプロセッサで実現できる。
The details of the
また、出力部143は、AC/DCコンバータ11に、算出された電圧指令値を含む制御指令を出力する。さらに、記憶部144は、電圧指令値の算出のために用いられる情報やプログラムを記憶する。なお、電圧指令値算出部142は、電解槽に対する電流指令値と電解槽電圧を算出することが望ましい。なお、これらは電圧指令値算出部142とは別の部位で算出してもよい。
The
そして、出力部143が、電流指令値や電解槽電圧を含む制御指令を第1のAC/DCコンバータや第2のAC/DCコンバータに出力し、これらを制御する。なお、電流指令値や電解槽電圧は、第1のAC/DCコンバータの動作が所定条件を満たす場合、例えば、電流指令値が均等にバランスしている場合における電流指令値iが含まれる。
Then, the
ここで、バランス後のAC/DCコンバータ11Aの電圧は、以下の(数10)で示すとおりになる。
V‘inA=VG/(N-1+ αβ),V’inB=αβVG/N・・・(数10)
この(数10)は、(数9)のα2の代わりにαとβの積を用いている。これは、電解電流値のずれαによる電解電圧のずれは実測できるずれβとなるためである。そこで、演算装置14では、以下に説明する、AC/DCコンバータ11に対する電ある指令値を算出する。
Here, the voltage of AC/
V'inA = V G /(N-1+ αβ), V'inB = αβ V G /N... (Equation 10)
In this (Equation 10), the product of α and β is used instead of α2 in (Equation 9). This is because the deviation in the electrolysis voltage caused by the deviation in the electrolysis current value α is a measurable deviation β. Therefore, the
次に、演算装置14の処理について説明する。入力部141は、入力情報として、第1のAC/DCコンバータが均等にバランスしている場合の電流指令値iや劣化前の電解槽電圧vを受け付ける。より具体的には、入力情報として、(1)均等バランスの際の電解電流指令値(例えば、平均電流指令値):i、(2)劣化前(新品や定格)の電解電圧値:v、(3)個々の電解電流指令値:iK、(4)電解槽電圧vkが用いられる。なお、(3)(4)は、実測値であることが望ましい。
Next, the processing of the
また、電圧指令値算出部142は、入力情報を用いて、電圧指令値を算出する。すなわち、電圧指令値算出部142は、以下の(数11)に従って、電圧指令値VDMを算出する。
VDM=ΣΔVK=(1-αKβK)VG/N・・・(数11)
ただし、αK=iK/i, βK= vk/v
なお、入力情報やα、βについては、少なくとも一部を記憶部144に記憶しておいてもよい。
Furthermore, the voltage command
V DM =ΣΔV K =(1-α K β K )V G /N... (Equation 11)
where α K =i K /i, βK= v k /v
At least a portion of the input information and α and β may be stored in the
そして、出力部143が、算出された電圧指令値VDMを各AC/DCコンバータ11、11A、11Bに出力し、出力電圧を制御する。この結果、各AC/DCコンバータの電圧変動の影響を低減することができる。
Then,
以上の実施例1では、AC側(系統側)にて直列に接続して構成したAC/DCコンバータのうち、少なくとも一部のAC/DCコンバータのDC側をキャパシタに接続する。また、残りのAC/DCコンバータのDC側を電解槽に接続する。そして、この構成において、各電解槽の電流指令値、各電解槽の電圧に基づいて、キャパシタと接続したAC/DCコンバータ、つまり、ダミー対のAC/DCコンバータへの電圧指令値を算出する。この結果、実施例1では、各電流指令値の偏差、電圧の偏差から生じる各AC/DCコンバータの入力電圧の移動を補償することになる。そして、実施例1では、以上のように電力制御により制御される水素製造システムが提供できる。以上で、実施例1の説明を終わる。 In the above-mentioned first embodiment, of the AC/DC converters configured by connecting in series on the AC side (system side), the DC sides of at least some of the AC/DC converters are connected to a capacitor. The DC sides of the remaining AC/DC converters are connected to an electrolytic cell. In this configuration, a voltage command value for the AC/DC converter connected to the capacitor, that is, the dummy pair of AC/DC converters, is calculated based on the current command value of each electrolytic cell and the voltage of each electrolytic cell. As a result, in the first embodiment, the shift in the input voltage of each AC/DC converter resulting from the deviation of each current command value and the deviation of the voltage is compensated for. In the first embodiment, a hydrogen production system controlled by power control as described above can be provided. This concludes the explanation of the first embodiment.
次に、実施例2について説明する。図7Aは、実施例2における水素製造システム1の構成図である。図7Aの回路構成は、実施例1(図5)とほぼ同じである。但し、演算装置14での処理が異なる。実施例2では、電解槽13のたち下げと立ち上げを可能にするために、演算装置14での演算を実行する。具体的には、演算装置14での演算により、定格電流iで動作している電解槽B13Bに対して、電流を絞ってゆくような制御を可能とする。このためには、電流を0にした後、電圧指令で電解槽B13Bの電圧を0に絞る必要がある。これは、図7BのIVカーブにも示すように、電流0にしても電圧が残っているためである。この電解電圧の制御操作をすると他の電解対の系統側電圧に影響を及ぼすことになる。そこで、実施例2では、電圧指令値算出部142は、電解対B13Bの系統側電圧の変化と背反になるようにダミー対10に対する電圧指令値を算出する。つまり、電圧指令値算出部142は、ダミー対10の系統側電圧の変化量が、電解対B13Bの系統側電圧の変化量と変化方向が逆で同値となる電圧指令値VDMを算出する。具体的には、電圧指令値算出部142は、入力情報を(1)個々の電解槽の電圧指令値:vk、(2)劣化前(新品や定格)の電解電圧値:vとし、以下の(数12)に従って、電圧指令値VDMを算出する。
VDM=VG/N/v*(v-vk)・・・(数12)
以上のように、実施例2では、電圧指令値算出部142は、複数の電解槽13A、13Bのうち、所定の電解槽(例えば、電解槽13A)を電圧制御する。そして、この際、電解槽定格電圧である個々の電解槽の電圧指令値と指令電圧である電解電圧値の差を用いて、第2のAC/DCコンバータであるAC/DCコンバータ11に対する電圧指令値として算出する。
このことで、電解対B13Bの系統側電圧の変化を低減することができる。つまり、劣化等での系統側電圧の変化に基づく、他の電解対に対する影響を低減することができる。つまり、演算装置14からの上述の電圧指令値を含む制御指令を用いた制御により、他の電解動作に対する影響を抑制したまま、電解槽B13Bを停止、解列できる。逆も真であり、電解槽の新たな投入と起動も可能となる。
Next, a second embodiment will be described. FIG. 7A is a configuration diagram of the
V DM = V G /N/v*(vv k ) ... (Equation 12)
As described above, in the second embodiment, the voltage command
This makes it possible to reduce the change in the grid side voltage of the
以上の実施例2では、AC/DCコンバータを用いて特定の電解槽を電圧制御する際、電解槽定格電圧から指令電圧の差を、第2のAC/DCコンバータへの電圧指令値とすることになる。以上で、実施例2の説明を終わる。 In the above-described second embodiment, when the voltage of a specific electrolytic cell is controlled using an AC/DC converter, the difference between the rated voltage of the electrolytic cell and the command voltage is set as the voltage command value for the second AC/DC converter. This concludes the explanation of the second embodiment.
次に、実施例3について説明する。図8は、実施例3における水素製造システム1の一部を示す構成図である。図8では、演算装置14の記載を省略している。そして、実施例3では、電解対100の構成が、実施例1や2と異なる。つまり、電解対を構成する第1のAC/DCコンバータであるAC/DCコンバータや電解槽をグループ化して接続する。
具体的には、(1)第1のAC/DCコンバータである複数のAC/DCコンバータ11A-1、11A-2とAC/DCコンバータ11B-1、11B-2のそれぞれを1つのグループとして直列に接続し、(2)電解槽13A-1、13A-2と電解槽13B-1、13B-2のそれぞれを1つのグループとし、同グループの電解槽13同士を直列に接続する。このように、電解対は、AC/DCコンバータと電解槽を1対1で構成しなくともよい。
Next, a third embodiment will be described. Fig. 8 is a configuration diagram showing a part of the
Specifically, (1) a plurality of AC/
また、実施例3においては、AC側で隣接して接続される複数のAC/DCコンバータのグループにおけるDC側での最高電圧端と最低電圧端を、複数の直列接続した電解槽のグループに接続することが望ましい。なお、実施例3での電圧指令値VDMの算出については、実施例1、2のいずれも用いることができる。 In the third embodiment, it is preferable to connect the maximum and minimum voltage ends on the DC side of a group of a plurality of AC/DC converters connected adjacently on the AC side to a group of a plurality of electrolytic cells connected in series. Note that, for the calculation of the voltage command value VDM in the third embodiment, either of the first and second embodiments can be used.
以上の各実施例によれば、水素製造システムなどの電解槽システムにおいて、効率を上げるなどの水素製造のコストを低減することができる。これで、各実施例の説明を終わるが、本発明は、これら実施例に限定されない。特に、AC/DCコンバータと電解槽の数、ダミー対の数は図示したものに限定されない。但し、上述のように、ダミー対の数は電解槽に接続されるAC/DCコンバータの変動範囲×個数≦VDMを充足することが望ましい。さらに、演算装置14においては、実施例1および2の電圧指令値VDMの算出の両方を実行できるように構成してもよい。また、本発明を、水素製造システム以外の電解槽システムにも適用できる。
According to each of the above embodiments, in an electrolytic cell system such as a hydrogen production system, the cost of hydrogen production can be reduced by increasing the efficiency. Although the description of each embodiment is finished here, the present invention is not limited to these embodiments. In particular, the number of AC/DC converters and electrolytic cells, and the number of dummy pairs are not limited to those shown in the drawings. However, as described above, it is desirable that the number of dummy pairs satisfies the fluctuation range of the AC/DC converter connected to the electrolytic cell x the number ≦ V DM . Furthermore, the
1…水素製造システム、10…ダミー対、11…AC/DCコンバータ、12…キャパシタ、13…電解槽、14…演算装置、15…電源装置、100…電解対、141…入力部、142…電圧指令値算出部、143…出力部、144…記憶部 1... Hydrogen production system, 10... Dummy pair, 11... AC/DC converter, 12... Capacitor, 13... Electrolytic cell, 14... Calculation device, 15... Power supply device, 100... Electrolytic pair, 141... Input unit, 142... Voltage command value calculation unit, 143... Output unit, 144... Storage unit
Claims (12)
前記複数の電解対と直列接続され、エネルギを投入可能なキャパシタおよび当該キャパシタと接続する第2のAC/DCコンバータで構成されるダミー対と、
前記複数の電解槽への電流指令値および前記複数の電解槽の電解槽電圧を含む入力情報を受け付ける入力部と、前記入力情報を用いて、前記第2のAC/DCコンバータに対する電圧の補正値である電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、前記電圧指令値を、前記第2のAC/DCコンバータに出力する出力部を有する演算装置を有する電力制御システム。 A power control system for a hydrogen generation system that generates hydrogen from saltwater using a plurality of electrolytic couples connected in series to each other, the electrolytic couples being composed of a plurality of electrolytic cells that store saltwater and a first AC/DC converter that supplies power to the electrolytic cells, the system comprising:
A dummy pair is connected in series with the plurality of electrolytic pairs and is composed of a capacitor capable of inputting energy and a second AC/DC converter connected to the capacitor;
A power control system comprising an arithmetic device having an input unit that receives input information including current command values to the plurality of electrolytic cells and electrolytic cell voltages of the plurality of electrolytic cells, a voltage command value calculation unit that uses the input information to calculate a voltage command value that is a correction value of voltage for the second AC/DC converter, and an output unit that outputs the voltage command value to the second AC/DC converter.
前記電流指令値は、前記複数の電解槽が均等バランスしている場合における電流指令値であり、
前記電解槽電圧は、前記複数の電解槽の劣化前の電解電圧値である電力制御システム。 2. The power control system according to claim 1,
the current command value is a current command value when the plurality of electrolytic cells are equally balanced,
A power control system in which the electrolytic cell voltages are electrolytic voltage values of the multiple electrolytic cells before deterioration.
前記入力情報には、さらに前記複数の電解槽それぞれにおける実測値である電解電流指令値および電解槽電圧が含まれる電力制御システム。 3. The power control system according to claim 2,
The power control system, wherein the input information further includes electrolysis current command values and electrolysis cell voltages which are actual measured values in each of the plurality of electrolysis cells.
前記電圧指令値算出部は、前記複数の電解槽それぞれにおける実測値である電解電流指令値と電解槽電圧の差を用いて、前記電圧指令値を算出する電力制御システム。 2. The power control system according to claim 1,
The voltage command value calculation unit calculates the voltage command value using a difference between an electrolysis current command value, which is an actual measured value in each of the plurality of electrolytic cells, and an electrolytic cell voltage.
前記複数の電解対を構成する複数の第1のAC/DCコンバータおよび複数の電解槽をグループ化して互いに接続する電力制御システム。 2. The power control system according to claim 1,
A power control system that groups and connects the plurality of first AC/DC converters and the plurality of electrolytic cells that constitute the plurality of electrolytic couples to each other.
AC側で隣接して接続される複数の第1のAC/DCコンバータのグループにおけるDC側での最高電圧端と最低電圧端を、複数の直列接続した電解槽のグループに接続する電力制御システム。 6. The power control system according to claim 5,
A power control system that connects the highest and lowest voltage ends on the DC side of a group of a plurality of first AC/DC converters that are adjacently connected on the AC side to a group of a plurality of electrolyzers connected in series.
前記複数の電解槽および当該電解槽に電力を供給する第1のAC/DCコンバータで構成される電解対であって、互いに直列接続される複数の電解対と、
前記複数の電解対と直列接続され、エネルギを投入可能なキャパシタおよび当該キャパシタと接続する第2のAC/DCコンバータで構成されるダミー対と、
前記複数の電解槽への電流指令値および前記複数の電解槽の電解槽電圧を含む入力情報を受け付ける入力部と、前記入力情報を用いて、前記第2のAC/DCコンバータに対する電圧の補正値である電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、前記電圧指令値を、前記第2のAC/DCコンバータに出力する出力部を有する演算装置を有する水素製造システム。 A hydrogen production system that generates hydrogen from salt water stored in a plurality of electrolyzers,
a plurality of electrolytic couples each including the plurality of electrolytic cells and a first AC/DC converter that supplies power to the electrolytic cells, the electrolytic couples being connected in series with each other;
A dummy pair is connected in series with the plurality of electrolytic pairs and is composed of a capacitor capable of inputting energy and a second AC/DC converter connected to the capacitor;
A hydrogen production system comprising an arithmetic device having an input unit that receives input information including current command values for the plurality of electrolytic cells and electrolytic cell voltages of the plurality of electrolytic cells, a voltage command value calculation unit that uses the input information to calculate a voltage command value that is a correction value for voltage for the second AC/DC converter, and an output unit that outputs the voltage command value to the second AC/DC converter.
前記電流指令値は、前記複数の電解槽が均等バランスしている場合における電流指令値であり、
前記電解槽電圧は、前記複数の電解槽の劣化前の電解電圧値である水素製造システム。 The hydrogen production system according to claim 7,
the current command value is a current command value when the plurality of electrolytic cells are equally balanced,
A hydrogen production system, wherein the electrolytic cell voltage is an electrolysis voltage value of the plurality of electrolytic cells before deterioration.
前記入力情報には、さらに前記複数の電解槽それぞれにおける実測値である電解電流指令値および電解槽電圧が含まれる水素製造システム。 9. The hydrogen production system according to claim 8,
The input information further includes an electrolysis current command value and an electrolysis cell voltage, which are actual measured values in each of the plurality of electrolysis cells.
前記電圧指令値算出部は、前記複数の電解槽それぞれにおける実測値である電解電流指令値と電解槽電圧の差を用いて、前記電圧指令値を算出する水素製造システム。 The hydrogen production system according to claim 7,
The voltage command value calculation unit calculates the voltage command value using a difference between an electrolysis current command value, which is an actual measured value in each of the plurality of electrolytic cells, and an electrolytic cell voltage.
前記複数の電解対を構成する複数の第1のAC/DCコンバータおよび複数の電解槽をグループ化して互いに接続する水素製造システム。 The hydrogen production system according to claim 7,
A hydrogen production system in which a plurality of first AC/DC converters and a plurality of electrolyzers constituting the plurality of electrolytic couples are grouped and connected to each other.
AC側で隣接して接続される複数の第1のAC/DCコンバータのグループにおけるDC側での最高電圧端と最低電圧端を、複数の直列接続した電解槽のグループに接続する水素製造システム。 The hydrogen production system according to claim 11,
A hydrogen production system comprising: a group of a plurality of first AC/DC converters connected adjacently on the AC side; a highest voltage end and a lowest voltage end on the DC side of the group of a plurality of first AC/DC converters connected adjacently on the AC side; and a group of a plurality of electrolyzers connected in series.
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