一、氢能发展及对制氢电源的需求
　　
　　1.氢能发展趋势介绍
　　
　　在全球能源转型的大背景下，寻求清洁、高效且可持续的能源成为各国关注的重点。氢能凭借其零排放、能量密度高以及来源广泛等优势，逐渐崭露头角，备受各界瞩目。
　　
　　欧盟在低碳化方面设定的目标是，到2050年实现碳中和并且温升控制在1.5℃内，氢能要在整个能源消费里面占有12%，这样才有可能实现碳中和。因此，氢能在未来的20年乃至30年的时间内会获得一个快速的发展。
　　
　　中国也提出了自己的2030年前碳达峰及2060年前碳中和的目标。氢能即将开始爆发式增长，2020年中国氢能产量达到3300万吨，占比超过全球1/3，为全球第一大制氢国。国内氢能产业已初步掌握氢能制备、储运、加氢、燃料电池和系统集成等主要技术工艺，工业企业超300家。在2060年碳中和愿景下，我国氢气的年需求量将增至1.3亿吨左右，在终端能源消费中占比约为20%。见图1所示。
　　
　　所以，要实现全球碳中和，三大关键是：低碳化、电气化、氢能大规模应用。
　　
　　2.制氢技术路线介绍
　　
　　传统制氢方式有煤制氢、天然气制氢、石油制氢，其技术仍然在发展中。绿氢制备技术主要有：可再生能源电解水制氢、太阳能光解水制氢、生物质发酵制氢、生物质热化学制氢、等离子体制氢、金属粉末制氢及诸多重整/分解制氢技术。
　　
　　由于技术成熟性、性价比及便于批量生产等多方面原因，可再生能源电解水制氢将会是今后很长一段时间内的主流技术。
　　
　　3.电解水制氢对制氢电源的需求
　　
　　可再生能源发电制氢包含源、网、荷、储等多部分组成，是一套非常复杂的系统，详见图2所示。
　　
　　制氢端主要由电解槽、分离纯化设备与制氢电源三大部分组成。狭义的制氢电源仅指AC/DC转换部分，广义的制氢电源还包括降压变压器（含有载调压）、高/低压开关柜、动力母排、附属无功补偿及滤波设备等。
　　
　　制氢场合的特殊性对电源设备提出了极高的需求，可以总结为：四高、两低、三友好。
　　
　　1）四高特点：
　　
　　(1)高功率
　　
　　传统电源有很多,使用较多的是UPS、EPS电源等,以UPS为例,一个炼化企业用到容量在100KVA以下,数据中心用到的UPS容量一般在于500KVA。而制氢电源主要负载为电解槽,在市面上标配的就是1000标方的电解槽,对应的电源容量就是5MW,现在还有很多厂家推出了2000标方甚至3000标方容量的电解槽,对应单台电源设备的功率就到10MW乃至15MW。所以,制氢电源具有高功率的特点。
　　
　　(2)高效率
　　
　　常规的电力电子设备的效率通常是在90%多,即使节能的UPS效率也只有94～95%。以UPS为例,由于功率比较小,4～5%损耗也就几十KVA甚至几百KVA容量是可以接受的。但是对于制氢电源来说,单台容量5MW、10MW甚至20MW,5%的电能的损耗,损耗掉的电费就非常昂贵了。因此,我们要不断的提高制氢电源效率到97%～98%,来节省电费。
　　
　　(3)高负载率
　　
　　电解水制氢系统一旦开起来以后,希望它能够长期平稳运行的,一般按照电解槽的额定负荷运行,即为5WM功率,制氢电源容量也要5MW,只有在少数的情况下,比如说接受电网的调度,然后要求电解槽降功率的时候才会降功率,但是实际上制氢电源降功率运行不是常态,满负载运行才是常态,这个也是和其他的电源设备不一样的一点。
　　
　　(4)高稳定性
　　
　　可再生能源电解水制氢系统通常中要求年运行时间大于6000小时,但是实际上更希望整套系统开起来以后,一年365天,每天24小时就不间断运行,也就是年均运营时间大于8000小时,这对设备稳定性提出了很高的要求。
　　
　　2）两低特点:
　　
　　由于制氢电源设备功率太大，我们希望尽可能降低它的投资成本，同时也要降低它的运行成本。
　　
　　3）三友好特点:
　　
　　(1)制氢电源设备是连接在电网和电解槽中间的这样一个设备。因此设备必须既对电网友好,又对电解槽友好。从电网友好的考虑,制氢电源不能够产生大量的谐波,也不能产生大量的无功功率,不能因为这些影响电力系统谐波,更不能造成电网的罚款,所以对制氢电源要求较高的功率因数和较好的THDI。在一些极端情况下,制氢电源设备还需要满足电网无功支撑、高低压穿越的指令,甚至是需求侧响应要求,这是电网友好性。
　　
　　(2)电解槽的特性很复杂,制氢电源作为直接给电解槽提供能量的装置,要求制氢电源设备尽量减少直流纹波对电解槽友好,同时要适应电解槽的快速响应特性,能够和电解槽进行匹配性实验。
　　
　　(3)性指风光友好性。近些年来,然后大家发现制氢端的最大运行成本就是电费,占比高达80%以上,因此未来采用离网制氢或者采用可再生能源的弃电制氢是降低氢能成本的一个最大的可能性,一个最大的可行性的措施。因此制氢电源必须能够适应风光柔性，离网制氢这样一个技术的发展趋势。
　　
　　二、制氢电源分类与性能对比
　　
　　1.功率半导体器件介绍
　　
　　制氢电源是一个典型的电力电子设备，而功率半导体器件是所有电源/电力电子设备的基础，主要分为不可控、部分可控、完全可控三大类。
　　
　　1）二极管：不可控，工艺与设备成熟，可以提供廉价的整流解决方案。
　　
　　2）晶闸管/IGCT：部分可控，工艺与设备成熟，在传统电解场景有着明显价格优势。
　　
　　3）IGBT：完全可控，开关频率高，响应速度快，双向可控，在降低谐波和提升效率方面具有非常明显优势。随着可再生能源的发展，实现了快速降本，应用空间广阔。
　　
　　4）第三代半导体SiC：完全可控，更高效率、更低损耗，成本较高，未普及应用。
　　
　　制氢电源电压（300～800VDC）及电流（6kA～30kA）区间，由于第三代半导体SiC成本更高，没有大面积普及，而二极管、晶闸管、IGBT均可以满足，故产生了不同的解决方案与产品。
　　
　　2.晶闸管制氢电源架构及性能
　　
　　晶闸管制氢电源指采用晶闸管作为功率变换器件的电源，整套系统主要由有载调压开关、移相降压变压器、晶闸管整流阀组等部分组成，在网侧还会配有交流开关，在直流侧无开关，详见图3所示。
　　
　　输出电压电流调节原理：晶闸管细调+有载调压变压器粗调。通过调整晶闸管的导通角，精确调节输出，实现细调；变压器档位粗调，主要调节输入电压在比较高效率的区间。
　　
　　电网的电压、频率变化的范围比较大情况下，有载调压开关需要不断的调整范围，这是一个易损件，有载调压开关寿命一般3-4年，相当于给系统引入一些故障点，降低系统整体的可靠性。
　　
　　以某项目为例，典型晶闸管制氢电源拓扑架构为例：主变压器采用220/37KV，降压变压器采用35/0.69kV，12.5MVA。后级24脉出线，每12脉接一台5MW晶闸管电源，详见图4所示。
　　
　　图4中这整套系统从理论上来说，参数还不错：系统效率≥96%；功率因数≥0.9；THDi≤5%；直流纹波约3%。上述参数通过计算和仿真都可以达到，现场实际运行无法达到，原因是受电网背景谐波、SCR控制逻辑、设备运行规则等因素影响，实际无法达到理论参数。
　　
　　晶闸管制氢电源优缺点：
　　
　　1）系统优点:
　　
　　（1）隔离变采用有载调压变压器，可实现宽范围调节。
　　
　　（2）系统结构简单、占地小、成本造价低。
　　
　　（3）单级拓扑结构，电源效率高。
　　
　　2）存在问题:
　　
　　（1）电网友好性差，系统仍需要额外配置无功补偿和滤波设备。
　　
　　（2）输出含有低频脉动分量，纹波电压高。
　　
　　（3）效率、功率因数等参数变化范围较宽。
　　
　　（4）响应速度慢，无法适应新能源的快速波动性。
　　
　　（5）电网支撑能力弱，无法提供无功支撑。
　　
　　（6）有载调压变压器成本仍较高，需定期维护。
　　
　　3.IGBT制氢电源架构及性能
　　
　　IGBT制氢电源指全部采用或者部分采用IGBT作为功率变换器件的电源，主要有二极管整流+IGBT斩波、IGBT整流+IGBT斩波、单级IGBT整流三大类，此外还有二极管整流+SiC斩波等方案。
　　
　　1）二极管整流+IGBT斩波制氢电源介绍
　　
　　基于晶闸管电源技术升级，增加了后级IGBT斩波，所以无需配置有载调压，且动态性能、非额定工况的性能参数大为改善，详见图5所示。
　　
　　系统优点：
　　
　　（1）系统结构简单、成本造价低。
　　
　　（2）响应速度快，可适应新能源的快速波动性。
　　
　　存在问题：
　　
　　（1）二极管导通损耗大，效率较低。
　　
　　（2）电网支撑能力弱，无法提供无功支撑。
　　
　　（3）电网友好性一般，功率因数0.98，实际使用中谐波电流会出现>5%的情况。
　　
　　2）IGBT整流+IGBT斩波制氢电源
　　
　　主要由高压开关柜、整流变压器、交流输入开关、交流电感、PWM整流、BUCK斩波、直流电感、直流输出开关组成，详见图6所示。
　　
　　参数表：见表1。
　　
　　传统的PWM整流采用两电平整流电路，随着大功率光伏逆变器发展，发展出三电平整流电路，包括NPC型三电平整流电路、T型三电平整流电路、ANPC三电平整流电路。
　　　
　　三电平整流电路优势:
　　
　　•损耗更少,效率更高(整流器效率≥97.5%,变压器≥99.5%,系统≥97%);
　　
　　•电流波形的谐波成分更少;
　　
　　•器件和整机可靠性提升;
　　
　　•改善电磁干扰EMI;
　　
　　(1)IGBT整流+IGBT斩波制氢电源系统优点
　　
　　•隔离变压器为普通降压变,结构简单,可靠性高;
　　
　　•全功率区间效率高;
　　
　　•响应速度快,可适应新能源的快速波动性;
　　
　　•两级控制,前级PWM整流能量双向流动,具备电网支撑能力,后级BUCK控制,输出电流纹波小;
　　
　　•系统功率因数可调(≥0.99),谐波电流小(≤3%)。
　　
　　(2)IGBT整流+IGBT斩波制氢电源存在问题
　　
　　•电源系统控制复杂;
　　
　　•体积比其他电源更大,硬件成本较高。
　　
　　晶闸管制氢电源与IGBT制氢电源效率对比测算,IGBT制氢电源效率曲线见图7所示。5MW制氢电源,实际运行效率相差2%,即为100kW;按照年运行8000小时,电价0.4元每度计算,就是32万元的差别。和晶闸管电源的价差,两年即可回收。
　　
　　3）单级IGBT整流制氢电源
　　
　　仅包含前述两电平或三电平整流环节,不包含斩波环节;但是需要额外安装直流电抗器,详见图8所示
　　
　　缺点:因为只有一级变换,故直流侧电压调节范围较窄;输出电压较高,仅适用于高压型电解槽。需要电源厂家和电解槽厂家共同联合开发才能实现量产。
　　
　　4）二极管整流+隔离IGBT斩波制氢电源
　　
　　主要由工频整流二极管、高频IGBT逆变、高频变压器、高频二极管或IGBT整流组成。
　　
　　二极管整流+隔离IGBT斩波制氢电源成本较高,IGBT整流+隔离IGBT斩波电源成本更高,性能
　　
　　参数一般,故通常仅用于实验室、制造车间等小功率短时间应用场合。
　　
　　三、IGBT制氢电源产品介绍
　　
　　正卓超大功率单机容量可到2.5MWIGBT制氢电源,风冷和水冷,最多8台并联,最大功率20MW功率:技术参数比较见表2。
　　
　　具体设计如下:
　　
　　(1)模块化设计,任一支路故障不影响其他模块性能;
　　
　　(2)更优异的网侧性能:三电平整流电路,最大效率大于98%,充裕的过载空间;
　　
　　(3)占地面积和体积大幅缩小:5MW功率密度行业最高
　　
　　(4)上进线下出线结构,便于现场走线,节省铜排用量;
　　
　　(5)完善的保护功能:标配输入断路器,选配输出直流隔离开关;
　　
　　(6)更便捷的机载操作界面与更强大的在线监控软件;
　　
　　(7)具备无功补偿能力。
　　
　　适用于大型制氢场站,匹配场站内集中式冷水机组与独立冷水机组,满功率运行柜内温升≤25K,器件及设备使用寿命大幅增加。
　　
　　四、制氢电源发展趋势分析
　　
　　1.IGBT制氢电源
　　
　　IGBT制氢电源占地面积更小、效率更高、成本更低。
　　
　　现有的不管是一级变换还是二级变换都是电压源拓扑结构,未来发展成电流源拓扑,占地面积和效率会进一步提升,详见图10所示。
　　
　　CSR整流电路，等效为对交流输入BUCK整流，通过一级电路即可实现大范围输出电流电压调节。
　　
　　难点:功率器件的匹配性、被动元器件的适应性设计等。
　　
　　2.交流离网制氢
　　
　　(1)现有制氢场站多为并网制氢,部分宣称为离网制氢的场站,实际采用的策略是并网不上网;
　　
　　(2)现场不引入电源点,采用构网型风机变流器、构网型光伏逆变器、最少容量的构网型储能变流器及储能装置,结合可调负荷的制氢系统,组成稳定的交流微电网制氢,才能称为交流离网制氢。
　　
　　变流器自组网、发电量实时预测、功率型储能系统及容量配置等技术成为核心关注点。
　　
　　3.直流组网制氢
　　
　　小容量光伏制氢一体机方案(详见图11):
　　
　　(1)小容量光伏直接接入,和隔离型DC/DC一起构成光伏制氢一体机;
　　
　　(2)多重独立模块化设计方案,保证安全性的同时,便于系统容量调整和后期扩容;
　　
　　(3)光伏MPPT+电解槽功率快速调节,同时保证系统运行;但是其他负载无法接入直流母线。
　　
　　结论：可以不配置储能，直流母线可能不稳定，比较适用于PEM制氢应用,性价比较高。
　　
　　五、直流组网制氢方案
　　
　　1.±750V直流母线方案
　　
　　光伏、风电、储能等,共同组成低压直流制氢,直流母线稳定,且可以外接其他负载。
　　
　　结论:±750V直流组网制氢,适用于中小功率PEM制氢场合,方案具有较强的灵活性。
　　
　　2.±10kV直流母线方案
　　
　　±10kV直流组网制氢,是比较理想的、适用于大规模制氢场站的组网方案,但是短期内会受到电力电子装置成本过高、直流继电保护发展不完善、微电网控制复杂等因素制约,详见图13所示。
　　
　　六、总结
　　
　　在全球能源转型追求碳中和的背景下,氢自身优势备受重视,中国和欧盟都对氢能在能源结构中的占比制定了目标。制氢技术多样,可再生能源电解水制氢将成主流。制氢电源作为关键部分,有“四高两低三友好”的特殊要求。制氢电源按功率半导体器件不同分类,晶闸管制氢电源有优缺点且实际运行参数难达理论值;IGBT制氢电源包含多种方案,其中IGBT整流+IGBT斩波方案性能突出,正成为行业主流。IGBT制氢电源未来将向更小体积、更高效率、更低运行成本,是重要发展方向,但各有挑战和适用场景。
　　
　　作者简介
　　
　　张明,产品技术部总监。从事电源行业17年,一致致力于UPS等大功率电源的产品管理和技术开发工作,获得多项发明专利,多次发表期刊论文,是正卓公司参与GB/T14715-2017《信息技术设备用不间断电源通用规范》编写的主要负责人。2022年参与大功率IGBT制氢电源开发工作,是正卓研发团队技术核心骨干。
　　
　　编辑：Harris