1. 痛点问题
并网制氢电源是输入交流，输出数百伏、数十千安直流的大电流整流设备。现有制氢电源多使用基于晶闸管的相控整流，但是晶闸管制氢装置谐波大、无功大、需要额外配备额外的补偿装置，影响成本、损耗、体积。为了改善晶闸管方案的电能质量问题，VSC+Buck的全控方案被提出，但是其需要AC-DC和DC-DC两级变换实现降压，成本和损耗仍然是亟待优化的难题。针对上述问题，清华大学创新提出新型全控电流源型制氢电源技术，具有效率高、调制简单、运行范围宽、功率拓展容易等优势，可广泛应用于新能源制氢等领域。
2. 解决方案
创新使用MCSC作为制氢电源拓扑。仅通过单级变换实现适用于制氢电源的大电流整流，和双级变换拓扑相比体积降低20%以上，并且具有直流侧零起升流、电流纹波小，交流侧多电平电流谐波小、单位功率因数运行的特性；提出适用于模块化拓展的紧凑型MCSC拓扑，将滤波电容集成于子模块内部，可以通过模块的自由拓展适配不同容量和电压电流等级的电解槽。针对5MW等级的制氢电源提出了基于IGBT串联快恢复二极管桥臂的子模块；针对10MW及以上等级提出了基于逆阻IGCT桥臂的子模块。
攻克MCSC模块级均流控制的难题。提出了针对于低容量高频IGBT器件的高频载波移相调制的均流方法，在开关频率450Hz以上时实现子模块的均流主动控制；提出了针对于大容量低频IGCT器件的阶梯电流逼近调制以及相应的脉冲分配均流方法，能够在近工频的开关频率实现子模块的均流主动控制。
提出MCSC的冗余和故障保护策略。通过故障模块切除策略，仅需要设置模块级别的直流侧断路器即可实现故障模块在线切除功能，进而实现冗余运行，相较于市场现有方案大幅提升制氢电源装置运行可靠性。
3. 竞争优势分析
创新使用MCSC作为制氢电源拓扑。仅通过单级变换实现适用于制氢电源的大电流整流，和双级变换拓扑相比体积降低20%以上，并且具有直流侧零起升流、电流纹波小，交流侧多电平电流谐波小、单位功率因数运行的特性；提出适用于模块化拓展的紧凑型MCSC拓扑，将滤波电容集成于子模块内部，可以通过模块的自由拓展适配不同容量和电压电流等级的电解槽。针对5MW等级的制氢电源提出了基于IGBT串联快恢复二极管桥臂的子模块；针对10MW及以上等级提出了基于逆阻IGCT桥臂的子模块。
攻克MCSC模块级均流控制的难题。提出了针对于低容量高频IGBT器件的高频载波移相调制的均流方法，在开关频率450Hz以上时实现子模块的均流主动控制；提出了针对于大容量低频IGCT器件的阶梯电流逼近调制以及相应的脉冲分配均流方法(Step-Current-Approximation Modulation, SCAM)，能够在近工频的开关频率实现子模块的均流主动控制。
提出MCSC的冗余和故障保护策略。通过故障模块切除策略，仅需要设置模块级别的直流侧断路器即可实现故障模块在线切除功能，进而实现冗余运行，相较于市场现有方案大幅提升制氢电源装置运行可靠性。针对于基于IGBT+快恢复二极管桥臂，提出了二极管故障的快速判断方法，进一步提升了装置运行的可靠性。
相比于基于晶闸管的制氢电源方案，基于IGBT/IGCT的MCSC方案通过多电平调制和全控器件实现了交流侧极低谐波和单位功率因数运行，解决了晶闸管方案的痛点问题。
相比于中车提出的基于IGBT的VSC升压+BUCK降压方案，MCSC拓扑可以完成AC-DC的降压单级变换，从原理上降低了成本、体积。MCSC制氢电源的模块化设计可以通过故障在线切除策略实现冗余运行，大幅提升制氢电源装置运行可靠性，并且赋予了其更优秀的大电流拓展能力可以灵活适配不同规格的电解槽要求。
4. 市场应用前景
随着双碳目标的不断推进，2022年3月国家发改委发布《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》，氢能被确定为未来国家能源体系的重要组成部分和用能终端实现绿色低碳转型的重要载体，氢能产业被确定为战略性新兴产业和未来产业重点发展方向，并且电解水制绿氢占比将逐年上升，预计2050年将达到70%。
5. 发展规划
制氢电源是电解水制氢中不可或缺的核心装备，目标客户包括国电投、国家能源集团、国家电网、南方电网、三峡集团、东方电气等大型企业，全球市场规模目前已经达到2亿元，随着电解制氢大规模实施，产业规模预计将达到上百亿。
6. 知识产权情况
已申请3项专利，均进入实质审查阶段。
