2023年，制氫電源市場逐漸火熱，傳統電力設備企業、氯堿電源企業等紛紛布局制氫電源賽道。

相對傳統電源，制氫電源需匹配風光電力的波動性、以及電解槽大功率用電特征，從而給其技術及設計策略帶來了新的挑戰。能景研究結合相關資料及國內外電源企業技術特征，對制氫電源的難點及技術方向進行了分析，以供行業參考。

01 制氫電源是實現電氫耦合的核心電力設備之一

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絡中，起到向上承接電網電力，向下為制氫電解槽供電的功能：

對電網來說，制氫電源是直接用電負載器件。制氫電源用電的過程也是與電網交互的過程，其用電穩定性、對電網的響應特性、反饋特性等對電網連接安全、發電設備壽命等均有重要影響。

對制氫電解槽來說，制氫電源主要負責提供穩定、符合電解槽電壓要求的直流電。在交流電網下，制氫電源及變壓器將電網的交流電轉化為直流電，供給電解槽使用；在直流電網下，則負責直接承接來自母線的高壓直流電，降壓調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）兩大技術路線：

晶閘管電源適用于大功率用電場景，技術相對成熟。晶閘管整流器已在氯堿行業應用40多年，功率通常可達MW級。而由于氯堿電解槽與現階段的堿式制氫電解槽在用電參數等方面較為相似，因此在穩定電力環境下，晶閘管整流器可直接移植到制氫行業應用。

IGBT整流器具有電網友好的特征，大功率技術尚在起步階段。現階段，IGBT主要應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生的諧波含量，從而減少對電網及發電設施的危害。近年來大功率IGBT技術逐漸國產化，在制氫等MW級大功率用電場景也逐漸展開應用。

02 可再生能源制氫場景下，制氫電源面臨多方面技術挑戰

相對傳統用電場景，可再生能源制氫存在用電功率大、風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波動，又需要符合電解槽穩定高效運行要求，因此產生了來自多方面的技術挑戰：

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。

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

而在制氫電解槽方面，各企業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，國內隆基推出的15 MW堿性電解槽。同時國內制氫項目采用的單槽功率及電源容量也呈現提高趨勢，如2023年上半年華能東方氫能產業園項目采購6.5 MW電解槽，配套8.3 MW制氫電源。

二是針對電網，制氫電源需符合低諧波等電網安全規范。

在相對穩定的電網供電場景下，傳統工業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，為消除諧波達往往采用外配諧波補償裝置、或由6脈波拓撲改用12脈波等多脈波拓撲，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，諧波補償裝置發生過載、燒毀的概率增大；另一方面，在整流器負載不足或過載時，諧波消除效果可能下降，導致與電網斷開、或危害風電電機等后果。

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（節約電耗）。

對傳統工業場景，一般僅需保證電源在滿負荷運轉時具有高整流效率。這是因為傳統工業場景采用相對穩定的電網電力，電源（整流器）只需按照用電需求進行匹配設計，無需考慮運行功率發生較大波動。此時，一般電源整流效率在95%以上，部分產品可達99%；即電能在電源環節的損失通常低于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據，其運行15年的時間內，僅5%左右的時間制氫系統可達100%負荷運轉，而有45%的時間內負荷低于12.5%。按照某常規IGBT整流器數據，其12.5%負載時整流效率不足85%，即電力損失達到15%以上，相應地制氫的電力成本上升了17%以上。

03 多方案并行，制氫電源技術逐漸迭代升級

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

能景研究認為，制氫電源優化策略主要有電路設計優化、核心零部件優化、管理策略優化等幾個方向。對于不同的技術路線，其側重的優化方向以及優化策略有所差異。

一是在晶閘管電源路徑方面，主要以提高電力質量為核心。

主要技術突破方向有三方面：電路優化，設計高效多脈波整流拓撲、配合無功補償裝置；智能化管理，包括更新管理策略、搭配優化有載調壓開關等，提高響應特性；訂制化設計，匹配不同電解槽特征進行調整。

典型企業如湖北英特利等，依托在氯堿行業應用經驗，針對不同綠氫項目、不同電解槽等推出了不同拓撲、不同電氣參數的多款制氫電源。

二是IGBT 電源路徑方面，將以大功率突破、以及提高低負載時整流效率等為重點。

主要策略包括三方面：器件優化，升級IGBT器件；電路優化，設計新型開關電路拓撲，搭配無功補償裝置等；模塊系統優化，如針對模塊化IGBT進行管理策略升級。

典型企業如中車時代電氣等，依托自身大容量IGBT器件生產研發基礎，設計推出了5~10 MW級IGBT制氫電源，且可保證30%~110%負載范圍內較高整流效率。