一、概述

制氫電源是電解?制氫系統(tǒng)中關(guān)鍵的電能轉(zhuǎn)換裝置，其核?功能是將交流電變換成與電解槽電壓匹配的直流電，從?驅(qū)動(dòng)?的電解過程，使?分解為氫?和氧?。在可再?能源制氫系統(tǒng)中制氫電源是連接電?與電解槽之間的橋梁，向上承接電?電?，向下為電解槽提供穩(wěn)定的直流電。制氫電源的性能和穩(wěn)定性對(duì)于提?氫能?產(chǎn)效率和降低成本具有?關(guān)重要的作?。

制氫電源主要包含整流柜、變壓器、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和輔助設(shè)備等。

二、技術(shù)路線    

1.按電能來源劃分    

（1）直流電DC/DC變換器供電

適用場(chǎng)景：光伏離網(wǎng)制氫、分布式直流電源系統(tǒng)。          
技術(shù)特點(diǎn)：直接利用光伏系統(tǒng)輸出的直流電（如300-800V直流），通過DC/DC變換器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)（如降至200-400V），匹配電解槽的輸入需求。該方案無需二次交直流轉(zhuǎn)換，能量損耗降低5%-8%，尤其適配分布式光伏制氫場(chǎng)景。DC/DC變換器需具備寬輸入電壓范圍（兼容多云、弱光等波動(dòng)條件）和高效轉(zhuǎn)換能力（＞98%），同時(shí)支持MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）功能以最大化光伏發(fā)電效率。

（2）交流電 AC/DC變換器供電

適用場(chǎng)景：集中式電網(wǎng)制氫、風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)制氫。          
技術(shù)特點(diǎn)：將電網(wǎng)或風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的交流電（如380V/50Hz）通過AC/DC變換器轉(zhuǎn)換為電解槽所需的穩(wěn)定直流電（如600-1000V）。需重點(diǎn)解決交流側(cè)諧波干擾（總諧波畸變率＜5%）和低功率因數(shù)（＞0.95）問題，通常采用多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或PFC（功率因數(shù)校正）技術(shù)優(yōu)化電能質(zhì)量。此類方案適用于百兆瓦級(jí)綠氫工廠，可兼容電網(wǎng)調(diào)峰需求，但需配置諧波濾波器以符合并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。    

圖1 不同能源來源制氫電源示意圖

2.按電力電子器件類型劃分    

（1）相控型整流器（晶閘管/SCR）

相控型整流器以晶閘管（半控型器件）為核心，通過數(shù)字電路控制晶閘管的導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)輸出電壓以實(shí)現(xiàn)整流，最終輸出直流電驅(qū)動(dòng)電解槽。其技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉（單機(jī)成本約20-30萬元/5MW），且大功率技術(shù)成熟，單機(jī)功率可突破20MW，適配百兆瓦級(jí)工業(yè)制氫項(xiàng)目。然而，該技術(shù)存在顯著短板：高諧波干擾（諧波畸變率＞15%）需額外配置SVG/SVC諧波補(bǔ)償裝置，導(dǎo)致綜合效率較低（約85%-90%）；同時(shí)響應(yīng)速度慢（功率調(diào)節(jié)時(shí)間＞500ms），難以匹配風(fēng)光電力的分鐘級(jí)波動(dòng)。目前主要應(yīng)用于電網(wǎng)穩(wěn)定的場(chǎng)景，如氯堿工業(yè)、煤化工配套綠氫項(xiàng)目，以及內(nèi)蒙古、新疆等地的百兆瓦級(jí)綠氨/綠氫工廠。

（2）全控型整流器（IGBT）

全控型整流器以IGBT模塊（全控型器件）和快恢復(fù)二極管為核心，采用高頻脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)（開關(guān)頻率＞10kHz），通過精確控制IGBT通斷實(shí)現(xiàn)高效率、低紋波直流輸出。其核心優(yōu)勢(shì)在于電能質(zhì)量?jī)?yōu)異（諧波畸變率＜3%，功率因數(shù)＞0.99）、動(dòng)態(tài)響應(yīng)極快（功率調(diào)節(jié)時(shí)間＜100ms），可實(shí)時(shí)跟蹤風(fēng)光電力波動(dòng)，且綜合效率領(lǐng)先（＞95%），尤其適合中小功率離網(wǎng)場(chǎng)景。但該技術(shù)面臨兩大瓶頸：成本高昂（IGBT模塊占設(shè)備成本40%，單機(jī)成本約120-150萬元/5MW）和單機(jī)功率受限（≤10MW），需通過多模塊并聯(lián)擴(kuò)展至50MW級(jí)。典型應(yīng)用場(chǎng)景包括西北地區(qū)光伏離網(wǎng)制氫站、沿海風(fēng)電制氫項(xiàng)目，以及需要高精度控制的PEM電解槽和氫儲(chǔ)能調(diào)峰系統(tǒng)。    

圖1 各類制氫電源部分應(yīng)用示意圖

表1兩種制氫電源技術(shù)路線對(duì)比

三、制氫電源技術(shù)要求    

電氣安全：需對(duì)觸電危害、能量危害、火災(zāi)危害、機(jī)械危害、輻射危害、化學(xué)危害、電暈危害等進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定與管控，例如針對(duì)觸電危害，要明確規(guī)定電氣設(shè)備的絕緣性能、接地措施等相關(guān)技術(shù)參數(shù)；對(duì)于能量危害，需對(duì)可能產(chǎn)生的高能量沖擊、過載等情況制定相應(yīng)的防范標(biāo)準(zhǔn)；

電池容量：要精確規(guī)范電池的標(biāo)稱容量、實(shí)際可用容量以及在不同工況下的容量衰減標(biāo)準(zhǔn)等，確保電池容量能滿足實(shí)際使用需求且具有穩(wěn)定的性能表現(xiàn)；

功能安全：涵蓋功能安全管理、系統(tǒng)及硬件、軟件、電氣質(zhì)量、有功功率控制、并網(wǎng)切換等多方面的標(biāo)準(zhǔn)，比如在功能安全管理上，需建立完善的安全管理體系和流程，對(duì)系統(tǒng)及硬件的可靠性、冗余設(shè)計(jì)等要有明確的技術(shù)指標(biāo)，軟件的開發(fā)、測(cè)試以及更新等過程都要遵循嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)；    

并網(wǎng)要求：涉及電網(wǎng)適應(yīng)性、故障穿越、有功無功控制、并網(wǎng)切換等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，電網(wǎng)適應(yīng)性需規(guī)定設(shè)備在不同電網(wǎng)狀態(tài)如電壓波動(dòng)、頻率變化等情況下的穩(wěn)定運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)；故障穿越能力要有量化的指標(biāo)來衡量其在電網(wǎng)故障時(shí)的應(yīng)對(duì)能力；

消防/防爆：包括消防監(jiān)測(cè)、消防控制、自動(dòng)開關(guān)機(jī)、滅火等標(biāo)準(zhǔn)，消防監(jiān)測(cè)要明確監(jiān)測(cè)的范圍、精度以及響應(yīng)時(shí)間等；消防控制措施需具備自動(dòng)化和智能化，自動(dòng)開關(guān)機(jī)的觸發(fā)條件和執(zhí)行機(jī)制都要有清晰的界定，滅火設(shè)備的選型、布置以及滅火效果評(píng)估都要符合相關(guān)要求；

儲(chǔ)能：要對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率、軟啟動(dòng)、過載能力、通訊等方面制定標(biāo)準(zhǔn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率計(jì)算方法和最低效率要求要明確，軟啟動(dòng)的控制策略和參數(shù)設(shè)定要有規(guī)范，過載能力的界定以及在過載情況下的保護(hù)措施等都要涵蓋在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)；

環(huán)境：涉及溫濕度、防潮、鹽霧、沙塵、地震等環(huán)境因素的適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，例如設(shè)備在不同溫濕度區(qū)間的正常運(yùn)行指標(biāo)、防潮的等級(jí)和措施、鹽霧和沙塵環(huán)境下的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)以及抗震性能的評(píng)估和要求等；

氫安全：對(duì)于氫的制取、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用等全流程都要有嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，如氫氣的純度要求、儲(chǔ)存容器的耐壓和密封標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)輸過程中的安全防護(hù)以及使用場(chǎng)所的氫氣泄漏監(jiān)測(cè)和應(yīng)急處理標(biāo)準(zhǔn)等；

化學(xué)：包括鉛酸電池、多環(huán)芳烴、短鏈氯化石蠟、阻燃劑、通風(fēng)系統(tǒng)、重金屬、有機(jī)化合物等相關(guān)化學(xué)物質(zhì)的使用、存儲(chǔ)、排放等標(biāo)準(zhǔn)，例如鉛酸電池的生產(chǎn)工藝、使用過程中的鉛排放控制、多環(huán)芳烴等有害物質(zhì)的含量限制以及在存儲(chǔ)和運(yùn)輸過程中的安全措施等都要在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)規(guī)定，以確保整個(gè)項(xiàng)目在化學(xué)安全方面符合相關(guān)法規(guī)和環(huán)保要求。    

四、機(jī)遇與挑戰(zhàn)

在當(dāng)前全球積極推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的大背景下，制氫電源領(lǐng)域正站在發(fā)展的十字路口，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。從機(jī)遇方面來看，政策上，各國(guó)及地方的氫能政策都在大力鼓勵(lì)可再生能源電解水制氫的應(yīng)用以及電解水制氫系統(tǒng)性能的提升，這為制氫電源技術(shù)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的政策基礎(chǔ)。技術(shù)上，晶閘管與IGBT兩種類型的制氫電源技術(shù)不斷進(jìn)步，尤其是IGBT制氫電源以其響應(yīng)速度快、網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量好、輸出直流紋波低等顯著優(yōu)勢(shì)，能更好地與新型電力系統(tǒng)靈活匹配，市場(chǎng)占有率有望進(jìn)一步提升，成為主流制氫電源技術(shù)。應(yīng)用上，隨著制氫市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)張以及應(yīng)用場(chǎng)景的多樣化，制氫電源將擁有更廣闊的發(fā)展空間。成本上，核心部件國(guó)產(chǎn)化率的提高也將進(jìn)一步降低制氫電源的成本。

然而，挑戰(zhàn)也不容忽視。安全方面，制氫電源作為高電壓大功率的電氣設(shè)備，需要采取嚴(yán)格措施防范高壓電路帶來的電氣和其他安全風(fēng)險(xiǎn)。標(biāo)準(zhǔn)方面，制氫電源行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，缺乏相關(guān)國(guó)標(biāo)，雖2023年發(fā)布了一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)填補(bǔ)空白，但仍需進(jìn)一步完善以指導(dǎo)制氫電源產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)、生產(chǎn)、測(cè)試及應(yīng)用。

制氫電源行業(yè)在把握機(jī)遇的同時(shí)，必須正視并積極應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，才能在未來的能源領(lǐng)域中占據(jù)一席之地。