0 引言
氢能作为绿色低碳转型能源载体，具有清洁、高效、可再生的特性，也是未来国家能源体系的重要组成部分。2021年，国家发展改革委、国家能源局编制印发《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，明确了氢的能源属性和氢能产业的发展定位。今年以来，推进氢能技术创新与产业发展相关政策持续加码，分别对上游制氢、中游氢气储运、下游氢能应用环节进行了详细的阐述和划分，为企业在双碳背景下进一步聚焦新能源发展提供参考。
图1 氢能产业链
在电解水制氢领域，有ALK（碱性电解水）、PEM（质子交换膜电解水）、SOEC（高温固体氧化物电解水）、AEM（固体聚合物阴离子交换膜电解水）等技术路线。不管采用哪一种技术路线，都需要制氢电源与之相匹配。制氢电源作为电解水制氢的关键设备，其技术路线一直是关注的问题，对于晶闸管（SCR）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）的结构特点、运行模式、优缺点等进一步对设备选型进行描述。
1 电解水制氢技术
电解水制氢的基本原理是在直流电的作用下，水分子在电解槽中被分解成氢离子和氢氧根离子，氢离子在阴极得到电子还原成氢气，而氢氧根离子在阳极失去电子氧化成氧气。电解水制氢技术从材料、性能、效率和成本上都有自身的优势和缺点，根据电解槽隔膜材料的不同，电解水制氢技术通常分为以下四种类型：
2 制氢电源
制氢电源将电网或光伏、风电的交流电或直流电转换为电解水制氢设备所需的可靠电源，是电解水制氢系统的核心环节。通常可能包括整流变压器、整流器等。制氢电源向上承接电网或光伏、风电，向下为电解槽提供稳定的直流电。电网输入的电压通常为6kV、10kV或35kV，通过变压器将电网的高压转换为与制氢电源匹配的低电压，再经过制氢电源整流成与电解槽匹配的电压电流。电解槽的工作电流为直流电，而电网和风电供给的都是交流电，故需要通过AC/DC变流器将交流电变换为直流电。若是光伏发出的直流电，则通过DC/DC变流器使直流电更为稳定、平整。
2.1 制氢电源技术路线
从制氢电源的技术路线上可分为晶闸管（SCR）整流电源、绝缘栅双极晶体管（IGBT）整流电源两大路线。
（1）晶闸管（SCR）整流电源基于可控硅功率半导体器件，并需要整流变压器配套使用，可以满足多种电压等级，包括晶闸管模块、触发电路、滤波电路、保护电路构成。整流电源的输入端连接交流电源，由多个晶闸管组成整流桥，通过触发信号耦合到晶闸管的控制极上，通过滤波电路中的电容器和电感器输出平滑直流电压波形供电解槽用电。
双反星电路是由两个三相半波整流电路组成，变压器二次绕组采用延边三角形接法。双反星电路结构可以提供较大的直流输出电流，并且具有较好的滤波效果。双反星电路包括双反星6脉波同相逆并联、双反星6脉波非同相逆并联、双反星12脉波非同相逆并联。
三相桥式电路指的是由六个晶闸管（或其他可控开关器件）组成的三相桥式电路。三相桥的作用是将三相交流电转换为直流电。三相桥电路包括三相桥单机6脉波、三相桥单机12脉波、三相桥单机24脉波。
图2 三相桥式可控整流电路模型
SCR整流电源还可以通过多机组移相组成24脉波、48脉波、60脉波或96脉波等多脉波以降低谐波影响，通过有载调压开关及精确的可控硅触发角控制以保证其功率因数。具有可靠性高、效率高、投资低、占地面积少、维护量小等优点，目前已经应用在大规模电解水制氢项目上。
除此之外还需要考虑SCR的选型、触发电路设计、保护措施等方面，以确保整流电源的可靠性。
（2）绝缘栅双极晶体管（IGBT）整流电源基于IGBT功率半导体器件，配套多脉波变压器，可以满足多种电压等级，包括IGBT模块、整流电路、滤波电路、控制电路、辅助电源和散热系统等部分。
不控整流电路将交流电信号转换为具有单向导通性质的直流电信号，但无法对输出电压和电流进行精确的控制。IGBT DC/DC变换器通过控制IGBT的开关状态，实现输入直流电压到输出直流电压的变换，同时保持输出电压的稳定。不控整流电路与IGBT DC/DC变换器结合使用通常是将不控整流电路作为前级电路，将交流电转换为直流电，然后IGBT DC/DC变换器对前级输出的直流电进行进一步的变换和调节，以满足设备对电压和电流的具体需求。
图3 不控整流+IGBT DC/DC电路模型
PWM整流技术通过调节开关器件的导通和关断时间比例来控制整流过程。在DC/DC变换器中，PWM整流技术被广泛应用于将输入直流电压转换为稳定的输出直流电压。通过精确控制IGBT的开关动作，PWM整流技术能够实现输出电压的精确调节和快速响应。
图4 IGBT PWM整流 DC/DC电路模型
2.2 整流柜结构类型
制氢电源整流柜按照结构分为一体式结构和分体式结构。
分体式整流柜通常由多个独立的模块组成，每个模块具有独立的功能和结构，可以根据需要进行组合和配置。这种结构的优点是灵活性高，可以根据不同的需求进行定制和扩展，分体式设计有利于散热，当某个组件出现故障时，可以单独更换或维修该模块，而无需影响整个系统的运行同时也便于维护和维修。
一体式整流柜则是将多个模块集成在一个整体的机柜中，形成一个完整的系统。这种结构的优点是整体性好，占用空间小，便于安装和使用。但是，一体式整流柜的灵活性相对较差，一旦出现故障，可能需要更换整个机柜。所以，在选择制氢电源整流柜时，需要根据具体的需求和应用场景来选择合适的结构类型。同时，还需要考虑整流柜的性能、可靠性、安全性等因素，以确保其能够满足实际的使用要求。
3 制氢电源的谐波影响
3.1 谐波的危害
谐波的危害是多方面的，对电力系统和电气设备都会造成不同程度的危害。
首先，谐波电流会在设备的绕组、铁芯和导体中产生额外的损耗，导致设备发热，效率降低。其次，谐波可能会干扰设备的控制电路、传感器等导致设备故障、误操作或性能下降，影响设备的正常运行。再次，设备长期在谐波环境下运行，设备的元器件可能会损坏，从而缩短设备的使用寿命。
谐波可能会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，引起严重事故。也会导致电网的电压和电流波形畸变，影响电网的稳定性和可靠性。高次谐波还会影响电网的有功和无功功率平衡，增加电路损耗。
3.1 降低谐波的措施
谐波作为制氢电源的主要考核指标，制氢电源在运行过程中，由于电力电子器件的开关动作，会产生一定的谐波。不同类型的制氢电源，其谐波特性也有所不同。
在电力系统中，谐波分析常采用傅里叶级数或傅里叶变换来实现。对于周期性信号f(t)，其傅里叶级数展开式为：
其中，ω是信号的基频，a0是直流分量，an和bn分别是第n次谐波的余弦分量和正弦分量的幅值。
傅里叶级数的系数可以通过以下公式计算：
其中，T是周期信号，t0是积分起始时间（可以是周期内的任意时刻）。在实际应用中，由于信号通常是离散的，因此需要使用离散傅里叶变换（DFT）或快速傅里叶变换（FFT）来计算谐波分量。离散傅里叶变换公式为： 
其中，x[n]是离散信号，N是信号长度，X[k]是第k次谐波的复数幅值，实部和虚部分别对应余弦分量和正弦分量的幅值。通过傅里叶变换或傅里叶级数分析，可以得到各次谐波的幅值和相位，从而对谐波进行测量和分析。
SCR谐波大小与其所承受的电压、电流以及控制触发角有关。当触发角较小时，晶闸管所产生的谐波也较小；当控制角较大时，晶闸管所产生的谐波也较大。为了减少SCR所产生的谐波，通常通过增加SCR所承受的电压、电流的有效值，通过控制系统和运行模式调整其触发角，还可以采用多相脉波整流电路改善电流波形，减少谐波分量，或采用无源（有源）滤波器等措施。
IGBT以高频开关的方式工作，将直流电转换为交流电或对交流电进行控制。当 IGBT 进行开关操作时，电流和电压的变化可能会导致谐波的产生。开关过程不是完全线性的，会导致电流和电压的突变，这些突变可能会引起谐波产生。所以，一般通过优化设计驱动电路，减少开关瞬间的电流和电压变化，从而降低谐波的产生，还可以串接电抗器在变频器的输入端，可以抑制变频器自身的谐波产生，并降低变频器电流的di/dt，对变频器的整流部件起保护作用。选择低谐波特性的 IGBT元器件，采用无源（有源）滤波器等措施。
具体的谐波产生情况和治理方法受到应用场景、运行模式、元器件特性、负载特性等因素的影响。为了降低制氢电源对电网的谐波影响，可以通过优化电源的设计，如采用多脉波整流拓扑、配合无功补偿装置等来减少谐波的产生。还可以使用谐波滤波器或谐波抑制器等设备来滤除或抑制已经产生的谐波。
4 结语
制氢电源的谐波是评价其性能的重要指标。除此之外，功率因数、系统谐振、噪音、成本等需要通过采取一系列的技术措施和优化策略，所以在制氢电源中也需要结合设备的安全性、可靠性，满足电源波动性等方面进行统筹考量，选择适用于工程项目的制氢电源。
参考文献
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