制氫電源將在功率、效率、整流質(zhì)量等方面不斷突破

2023年，制氫電源市場逐漸火熱，傳統(tǒng)電力設(shè)備企業(yè)、氯堿電源企業(yè)等紛紛布局制氫電源賽道。

相對傳統(tǒng)電源，制氫電源需匹配風(fēng)光電力的波動性、以及電解槽大功率用電特征，從而給其技術(shù)及設(shè)計策略帶來了新的挑戰(zhàn)。能景研究結(jié)合相關(guān)資料及國內(nèi)外電源企業(yè)技術(shù)特征，對制氫電源的難點及技術(shù)方向進行了分析，以供行業(yè)參考。

01制氫電源是實現(xiàn)電氫耦合的核心電力設(shè)備之一

制氫電源一般指整流器或直流變換器。在可再生電力制氫網(wǎng)絡(luò)中，起到向上承接電網(wǎng)電力，向下為制氫電解槽供電的功能：

對電網(wǎng)來說，制氫電源是直接用電負(fù)載器件。制氫電源用電的過程也是與電網(wǎng)交互的過程，其用電穩(wěn)定性、對電網(wǎng)的響應(yīng)特性、反饋特性等對電網(wǎng)連接安全、發(fā)電設(shè)備壽命等均有重要影響。

對制氫電解槽來說，制氫電源主要負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定、符合電解槽電壓要求的直流電。在交流電網(wǎng)下，制氫電源及變壓器將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)化為直流電，供給電解槽使用；在直流電網(wǎng)下，則負(fù)責(zé)直接承接來自母線的高壓直流電，降壓調(diào)壓至電解槽需要的范圍。

目前，市場上的制氫電源主要有晶閘管電源（SCR整流器）、絕緣柵雙極晶體管電源（IGBT整流器）兩大技術(shù)路線：

晶閘管電源適用于大功率用電場景，技術(shù)相對成熟。晶閘管整流器已在氯堿行業(yè)應(yīng)用40多年，功率通�？蛇_(dá)MW級。而由于氯堿電解槽與現(xiàn)階段的堿式制氫電解槽在用電參數(shù)等方面較為相似，因此在穩(wěn)定電力環(huán)境下，晶閘管整流器可直接移植到制氫行業(yè)應(yīng)用。

IGBT整流器具有電網(wǎng)友好的特征，大功率技術(shù)尚在起步階段�，F(xiàn)階段，IGBT主要應(yīng)用于充電器等中小功率場景，相對晶閘管電源，IGBT電源可減少整流過程中產(chǎn)生的諧波含量，從而減少對電網(wǎng)及發(fā)電設(shè)施的危害。近年來大功率IGBT技術(shù)逐漸國產(chǎn)化，在制氫等MW級大功率用電場景也逐漸展開應(yīng)用。

02可再生能源制氫場景下，制氫電源面臨多方面技術(shù)挑戰(zhàn)

相對傳統(tǒng)用電場景，可再生能源制氫存在用電功率大、風(fēng)光電力周期性波動等新的特征。而制氫電源既需要迎合電力供應(yīng)波動，又需要符合電解槽穩(wěn)定高效運行要求，因此產(chǎn)生了來自多方面的技術(shù)挑戰(zhàn)：

一是針對電解槽，制氫電源需匹配制氫電解槽不斷突破的功率需求。

在傳統(tǒng)工業(yè)、交通等場景中，傳統(tǒng)電源容量需求一般不超過6 MW。比如典型大功率場景—氯堿行業(yè)中，以蒂森克虜伯的代表產(chǎn)品n-BiTAC氯堿槽為例，單槽運行功率約5.4 MW，對應(yīng)電源容量需求在6 MW左右。

而在制氫電解槽方面，各企業(yè)推出的堿性電解槽對電源容量需求或可超過20 MW。如蒂森克虜伯推出的20 MW scalum制氫模塊，國內(nèi)隆基推出的15 MW堿性電解槽。同時國內(nèi)制氫項目采用的單槽功率及電源容量也呈現(xiàn)提高趨勢，如2023年上半年華能東方氫能產(chǎn)業(yè)園項目采購6.5 MW電解槽，配套8.3 MW制氫電源。

二是針對電網(wǎng)，制氫電源需符合低諧波等電網(wǎng)安全規(guī)范。

在相對穩(wěn)定的電網(wǎng)供電場景下，傳統(tǒng)工業(yè)電源已有較多降低諧波的方案。如在氯堿場景，一般采用晶閘管電源，為消除諧波達(dá)往往采用外配諧波補償裝置、或由6脈波拓?fù)涓挠?2脈波等多脈波拓?fù)�，抵消諧波。

在可再生能源制氫場景中，電力波動特性提高了降低諧波難度。一方面，電力波動下，諧波補償裝置發(fā)生過載、燒毀的概率增大；另一方面，在整流器負(fù)載不足或過載時，諧波消除效果可能下降，導(dǎo)致與電網(wǎng)斷開、或危害風(fēng)電電機等后果。

三是針對長期運營，需保障可再生能源制氫場景下具備高整流效率（節(jié)約電耗）。

對傳統(tǒng)工業(yè)場景，一般僅需保證電源在滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)時具有高整流效率。這是因為傳統(tǒng)工業(yè)場景采用相對穩(wěn)定的電網(wǎng)電力，電源（整流器）只需按照用電需求進行匹配設(shè)計，無需考慮運行功率發(fā)生較大波動。此時，一般電源整流效率在95%以上，部分產(chǎn)品可達(dá)99%；即電能在電源環(huán)節(jié)的損失通常低于5%，甚至可低于1%。

對制氫場景，則需保障制氫電源在低負(fù)荷運行條件下同樣具有較高效率。這是因為可再生能源具有較高波動性，按照海外某綠氫項目披露數(shù)據(jù)，其運行15年的時間內(nèi)，僅5%左右的時間制氫系統(tǒng)可達(dá)100%負(fù)荷運轉(zhuǎn)，而有45%的時間內(nèi)負(fù)荷低于12.5%。按照某常規(guī)IGBT整流器數(shù)據(jù)，其12.5%負(fù)載時整流效率不足85%，即電力損失達(dá)到15%以上，相應(yīng)地制氫的電力成本上升了17%以上。

03多方案并行，制氫電源技術(shù)逐漸迭代升級

為匹配可再生能源制氫場景特征，國內(nèi)外電源廠家依托自身技術(shù)背景進行產(chǎn)品升級，在不同技術(shù)路線上形成了不同的解決方案。

能景研究認(rèn)為，制氫電源優(yōu)化策略主要有電路設(shè)計優(yōu)化、核心零部件優(yōu)化、管理策略優(yōu)化等幾個方向。對于不同的技術(shù)路線，其側(cè)重的優(yōu)化方向以及優(yōu)化策略有所差異。

一是在晶閘管電源路徑方面，主要以提高電力質(zhì)量為核心。主要技術(shù)突破方向有三方面：電路優(yōu)化，設(shè)計高效多脈波整流拓?fù)�、配合無功補償裝置；智能化管理，包括更新管理策略、搭配優(yōu)化有載調(diào)壓開關(guān)等，提高響應(yīng)特性；訂制化設(shè)計，匹配不同電解槽特征進行調(diào)整。

典型企業(yè)如湖北英特利等，依托在氯堿行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗，針對不同綠氫項目、不同電解槽等推出了不同拓?fù)�、不同電氣參�?shù)的多款制氫電源。

二是IGBT 電源路徑方面，將以大功率突破、以及提高低負(fù)載時整流效率等為重點。主要策略包括三方面：器件優(yōu)化，升級IGBT器件；電路優(yōu)化，設(shè)計新型開關(guān)電路拓?fù)�，搭配無功補償裝置等；模塊系統(tǒng)優(yōu)化，如針對模塊化IGBT進行管理策略升級。

典型企業(yè)如中車時代電氣等，依托自身大容量IGBT器件生產(chǎn)研發(fā)基礎(chǔ)，設(shè)計推出了5~10 MW級IGBT制氫電源，且可保證30%~110%負(fù)載范圍內(nèi)較高整流效率。

來源：能景研究

作者：新云

END

       原文標(biāo)題 : 技術(shù)|制氫電源是實現(xiàn)電氫耦合的關(guān)鍵，將迎來多方面技術(shù)突破