本文來自：能源雜誌，作者：武魏楠

從2021年開始，氫能逐漸成為碳中和領域最為火爆的風口。而利用清潔的可再生能源發電製備的綠氫更是成為許多人心中的終極能源解決方案。

今年3月，國家發改委、國家能源局聯合印發《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》（以下簡稱《規劃》）明確提出了可再生能源制氫量達到10-20萬噸/年的目標。一時之間，綠氫製備產業風起雲湧。

然而除了要面對成本壓力，綠氫製備的另一個潛在問題也開始隨着規模的增大而浮出水面。隨着規模擴張，綠氫製備也開始面對自身獨特的波動性問題，而這一問題有可能會對電網產生不利影響。

問題從何而來？我們又能如何在爆發前防患於未然？

有侷限的舊方案

電解水是我們最為熟知的中學化學知識，一個簡單的化學方程式（2H₂O==（通電）==2H₂↑+O₂↑）就能夠清晰的表明。原理上説電解水制氫就是在直流電的作用下，通過電化學過程將水分子解離為氫氣與氧氣，分別在陰、陽兩極析出。而可再生能源制氫是將風、光等具有波動性、不穩定的電流，轉換成具有穩定性的、適用於電解槽制氫的穩定電流。

電解水需要直流電，而電網則是交流電，制氫必須先將交流電轉換成交直流電，才能用於制氫。因此從流程上來説，在電網與制氫的電解槽之間，還需要一個將交流電轉換為直流電的裝置，這就是制氫的電源。

在2020年之前，電解水制氫的製備規模較小，大多數電解槽的單台產量在500標方及以下的規模。晶匣管整流電源方案因此得以廣泛應用。但是隨着氫能產業的蓬勃發展，更大規模的電解槽設備開始出現並且逐漸開始成為新項目的首選，晶匣管整流電源方案開始展現出其自身的缺陷。“當電解槽容量增加的時候，晶匣管整流電源本身的缺陷會造成電網的不穩定，進而對電網產生衝擊。”一位負責電網運營的負責人説。

這一幕看起來不禁讓人覺得有些類似。在中國光伏電站剛剛起步的階段，波動性、不穩定性、不可預測的光伏並沒有因為對電網的影響而感受到太多異樣目光。但是隨着光伏裝機的增加，波動性給電網的安全穩定運行帶來了挑戰，因此電網加強了對光伏電站各類涉網技術參數的要求。高低壓（零電壓）穿越，有功和無功調度響應，電網適應性能力，功率因數技術要求，諧波、負序電流及防孤島保護技術要求……這些專業名詞已經逐漸消失在了輿論視野之中，但它們都曾經是讓光伏企業無比頭疼的併網要求。而現在，類似的現象可能會在綠氫製備的產業中重演。

除了電解槽容量增加、制氫規模變大，大規模使用可再生能源發電製備氫氣又讓制氫對電網的壓力影響增加了一層。可再生能源的波動性疊加制氫負荷的不確定性，對電網的調度管理和可再生能源制氫系統的能量管理（EMS），甚至未來的綠氫認證也帶來了新的挑戰。

目前來看，傳統的晶匣管電源會越來越難以適應可再生能源大規模製氫的需求。電網友好性差、無法匹配新能源功率快速波動、系統複雜導致轉換率低、一次投資成本高，都是晶匣管電源難以解決的痛點。

面對已經開始浮出水面的隱憂，我們又該如何應對？

新技術破局

晶匣管電源方案主要適用於小規模的可再生能源制氫場景，在大規模新能源制氫中，IGBT整流電源的優勢更加突出。

IGBT是絕緣柵雙極型晶體管，是一種複合全控型電壓驅動式功率半導體器件，具備高耐壓、導通壓降低、開關速度快的特點。而正是這些特點，造就了IGBT電源相對於晶匣管電源的絕對優勢。

陽光電源是目前國內新能源企業涉足氫能的代表之一，並且成立了陽光氫能科技有限公司，專門研究可再生能源電解水制氫技術。目前陽光氫能佈局有用鹼水制氫和PEM兩種技術路線，還提供綠電制氫系統的解決方案。而IGBT全控型制氫整流電源正是其制氫電源解決方案中的王牌產品。

“從電網友好性上來看， IGBT電源採用PWM控制技術，使網側電流諧波含量<3%，功率因數>0.99。這能使系統在併網時，對電網的影響大大降低。而且電源功率調節響應速度小於100ms，遠遠優於晶匣管電源的10s以上，能夠瞬時響應光伏、風電功率快速波動，更加適配可再生能源變功率制氫，確保100%綠電制氫。”陽光氫能解決方案總監金穩説

而且在比較了晶匣管電源和IGBT電源的拓撲圖之後我們不難發現，晶匣管電源需要配套的設備更多，例如SVG/SVC、有載調壓開關等設備。“這帶來了兩個問題，一個是設備多、佔地多，所以這一部分的成本更高一些。另外由於系統複雜的程度更高，能耗和轉換效率也會受到影響。”

12脈波晶匣管整流電源系統拓撲圖（5MW）

IGBT全控型整流電源系統拓撲圖（10MW）

在歐洲，由於IGBT電源具備優異的電網交互性，已經成為綠電制氫項目或參與電網市場化交易及輔助服務制氫項目的首選。歐洲的SMA、Ingeteam，日本的Nidec等電源廠家都推出了IGBT電源。而且隨着電源模塊化技術的發展，整個系統也不會因為任何故障的出現而輕易停擺。經過了長時間的檢驗後，IGBT電源無疑具備更高的可靠性和耐用性。

不過在中國剛剛起步的綠氫產業中，晶匣管電源依然還是佔據着主流的位置。“儘管IGBT電源可以降低制氫電源系統成本，但是整流電源本身還是IGBT的更貴一些。”知情人士透露，“另外還有一點很重要，電網還沒有對可再生能源制氫的波動性有反應或者給出高技術標準。”

然而電網此刻的“安靜”並不代表未來。從新能源發電的經驗來看，當可再生能源制氫造成的波動達到一定程度，勢必會倒逼要求“更穩定”的制氫。對此有過豐富經驗的新能源企業已經開始思考這一問題，而一直深耕着中國光伏市場的陽光電源更是在涉足綠氫之後就開始做技術儲備。

“我們的IGBT制氫整流電源、ALK/PEM電解槽、智慧氫能管理系統等產品已經陸續應用到寧夏、內蒙古等地的可再生能源制氫項目當中。”陽光氫能市場營銷負責人方偉説到，“陽光氫能也會持續創新，深入可再生能源電氫耦合技術研究。”