制氢电源将在功率、效率、整流质量等方面不断突破
2023年，制氢电源市场逐渐火热，传统电力设备企业、氯碱电源企业等纷纷布局制氢电源赛道。
相对传统电源，制氢电源需匹配风光电力的波动性、以及电解槽大功率用电特征，从而给其技术及设计策略带来了新的挑战。能景研究结合相关资料及国内外电源企业技术特征，对制氢电源的难点及技术方向进行了分析，以供行业参考。
01制氢电源是实现电氢耦合的核心电力设备之一
制氢电源一般指整流器或直流变换器。在可再生电力制氢网络中，起到向上承接电网电力，向下为制氢电解槽供电的功能：
对电网来说，制氢电源是直接用电负载器件。制氢电源用电的过程也是与电网交互的过程，其用电稳定性、对电网的响应特性、反馈特性等对电网连接安全、发电设备寿命等均有重要影响。
对制氢电解槽来说，制氢电源主要负责提供稳定、符合电解槽电压要求的直流电。在交流电网下，制氢电源及变压器将电网的交流电转化为直流电，供给电解槽使用；在直流电网下，则负责直接承接来自母线的高压直流电，降压调压至电解槽需要的范围。
目前，市场上的制氢电源主要有晶闸管电源（SCR整流器）、绝缘栅双极晶体管电源（IGBT整流器）两大技术路线：
晶闸管电源适用于大功率用电场景，技术相对成熟。晶闸管整流器已在氯碱行业应用40多年，功率通常可达MW级。而由于氯碱电解槽与现阶段的碱式制氢电解槽在用电参数等方面较为相似，因此在稳定电力环境下，晶闸管整流器可直接移植到制氢行业应用。
IGBT整流器具有电网友好的特征，大功率技术尚在起步阶段。现阶段，IGBT主要应用于充电器等中小功率场景，相对晶闸管电源，IGBT电源可减少整流过程中产生的谐波含量，从而减少对电网及发电设施的危害。近年来大功率IGBT技术逐渐国产化，在制氢等MW级大功率用电场景也逐渐展开应用。
02可再生能源制氢场景下，制氢电源面临多方面技术挑战
相对传统用电场景，可再生能源制氢存在用电功率大、风光电力周期性波动等新的特征。而制氢电源既需要迎合电力供应波动，又需要符合电解槽稳定高效运行要求，因此产生了来自多方面的技术挑战：
一是针对电解槽，制氢电源需匹配制氢电解槽不断突破的功率需求。
在传统工业、交通等场景中，传统电源容量需求一般不超过6 MW。比如典型大功率场景—氯碱行业中，以蒂森克虏伯的代表产品n-BiTAC氯碱槽为例，单槽运行功率约5.4 MW，对应电源容量需求在6 MW左右。
而在制氢电解槽方面，各企业推出的碱性电解槽对电源容量需求或可超过20 MW。如蒂森克虏伯推出的20 MW scalum制氢模块，国内隆基推出的15 MW碱性电解槽。同时国内制氢项目采用的单槽功率及电源容量也呈现提高趋势，如2023年上半年华能东方氢能产业园项目采购6.5 MW电解槽，配套8.3 MW制氢电源。
二是针对电网，制氢电源需符合低谐波等电网安全规范。
在相对稳定的电网供电场景下，传统工业电源已有较多降低谐波的方案。如在氯碱场景，一般采用晶闸管电源，为消除谐波达往往采用外配谐波补偿装置、或由6脉波拓扑改用12脉波等多脉波拓扑，抵消谐波。
在可再生能源制氢场景中，电力波动特性提高了降低谐波难度。一方面，电力波动下，谐波补偿装置发生过载、烧毁的概率增大；另一方面，在整流器负载不足或过载时，谐波消除效果可能下降，导致与电网断开、或危害风电电机等后果。
三是针对长期运营，需保障可再生能源制氢场景下具备高整流效率（节约电耗）。
对传统工业场景，一般仅需保证电源在满负荷运转时具有高整流效率。这是因为传统工业场景采用相对稳定的电网电力，电源（整流器）只需按照用电需求进行匹配设计，无需考虑运行功率发生较大波动。此时，一般电源整流效率在95%以上，部分产品可达99%；即电能在电源环节的损失通常低于5%，甚至可低于1%。
对制氢场景，则需保障制氢电源在低负荷运行条件下同样具有较高效率。这是因为可再生能源具有较高波动性，按照海外某绿氢项目披露数据，其运行15年的时间内，仅5%左右的时间制氢系统可达100%负荷运转，而有45%的时间内负荷低于12.5%。按照某常规IGBT整流器数据，其12.5%负载时整流效率不足85%，即电力损失达到15%以上，相应地制氢的电力成本上升了17%以上。
03多方案并行，制氢电源技术逐渐迭代升级
为匹配可再生能源制氢场景特征，国内外电源厂家依托自身技术背景进行产品升级，在不同技术路线上形成了不同的解决方案。
能景研究认为，制氢电源优化策略主要有电路设计优化、核心零部件优化、管理策略优化等几个方向。对于不同的技术路线，其侧重的优化方向以及优化策略有所差异。
一是在晶闸管电源路径方面，主要以提高电力质量为核心。主要技术突破方向有三方面：电路优化，设计高效多脉波整流拓扑、配合无功补偿装置；智能化管理，包括更新管理策略、搭配优化有载调压开关等，提高响应特性；订制化设计，匹配不同电解槽特征进行调整。
典型企业如湖北英特利等，依托在氯碱行业应用经验，针对不同绿氢项目、不同电解槽等推出了不同拓扑、不同电气参数的多款制氢电源。
二是IGBT 电源路径方面，将以大功率突破、以及提高低负载时整流效率等为重点。主要策略包括三方面：器件优化，升级IGBT器件；电路优化，设计新型开关电路拓扑，搭配无功补偿装置等；模块系统优化，如针对模块化IGBT进行管理策略升级。
典型企业如中车时代电气等，依托自身大容量IGBT器件生产研发基础，设计推出了5~10 MW级IGBT制氢电源，且可保证30%~110%负载范围内较高整流效率。
来源：能景研究
作者：新云
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原文标题 : 技术|制氢电源是实现电氢耦合的关键，将迎来多方面技术突破
