國網(wǎng)智研院大容量能量路由器技術 支撐新型電力系統(tǒng)建設

　　國網(wǎng)智研院依托公司科技項目研發(fā)了大容量多端口能量路由器的技術拓撲和多端口直流控制保護技術，為隨州廣水100%新能源新型電力系統(tǒng)科技示范工程研制了核心技術裝備，通過技術成果轉化為工程建設提供了支撐。

　　1月31日，湖北隨州廣水100%新能源新型電力系統(tǒng)科技示范工程能量路由器60兆瓦換流器帶示范區(qū)滿功率運行試驗順利完成。試驗過程中，換流器及其控制保護系統(tǒng)無任何故障和異常報文，為實現(xiàn)縣域級高比例可再生能源電網(wǎng)穩(wěn)定運行以及源網(wǎng)荷儲動態(tài)平衡奠定了堅實基礎。

隨州廣水科技示范工程能量路由器站。(國網(wǎng)智研院供圖)

　　隨州廣水100%新能源新型電力系統(tǒng)科技示范工程(簡稱“隨州廣水科技示范工程”)是國家電網(wǎng)有限公司新型電力系統(tǒng)專項四類示范工程之一。2022年11月19日，隨州廣水科技示范工程啟動送電，為418平方千米供區(qū)內(nèi)超過20萬人提供了清潔能源，形成了一個開放的具有未來電網(wǎng)特征的實驗平臺和可靠的能源供應物理網(wǎng)絡。依托公司科技項目“縣域級高比例可再生能源電力系統(tǒng)運行關鍵技術研究”，國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司研發(fā)了大容量多端口能量路由器的技術拓撲和多端口直流控制保護技術，研制了隨州廣水科技示范工程核心技術裝備，通過技術成果轉化支撐了示范工程建設。

　　投用大容量能量路由器裝備，保障新能源電源穩(wěn)定可靠并網(wǎng)

　　近年來，隨著電力電子裝備的大量應用以及風電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電占比的不斷升高，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)“雙高”特點，高比例新能源接入地區(qū)的系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性成為構建新型電力系統(tǒng)研究的重點之一。

　　據(jù)國網(wǎng)智研院總工程師、“縣域級高比例可再生能源電力系統(tǒng)運行關鍵技術研究”項目負責人賀之淵介紹，隨州廣水科技示范工程在電源側采用自同步電壓源控制技術的94兆瓦風電和光伏發(fā)電機組供電，在電網(wǎng)側安裝了世界首臺電壓等級最高、容量最大的縣域電網(wǎng)能量路由器，在儲能側分散布置了總容量為15兆瓦/30兆瓦時的儲能系統(tǒng)，在負荷側形成了12兆瓦分布式微電網(wǎng)群和雙向新能源汽車站的可控負荷，在控制保護方面研制了世界首套可支持縣域級全可再生能源電網(wǎng)高效穩(wěn)定運行的源網(wǎng)荷儲協(xié)同控制系統(tǒng)。國網(wǎng)湖北省電力有限公司作為工程牽頭單位，國網(wǎng)智研院負責高壓大容量能量路由器的方案設計和裝備研制。

　　隨州廣水科技示范工程的實時協(xié)同控制系統(tǒng)相當于“大腦”，可在新能源發(fā)電機組出力出現(xiàn)盈虧時，讓儲能設備存儲或釋放能量，通過需求側響應削峰填谷，調(diào)動高壓大容量能量路由器進行潮流雙向控制，實現(xiàn)電力電量平衡，保障供電穩(wěn)定性。在這項工程中發(fā)揮重要作用的大容量能量路由器裝備連接主電網(wǎng)與新能源供電示范區(qū)，能夠靈活控制上網(wǎng)和下網(wǎng)潮流方向及能量大小，不但能實現(xiàn)主電網(wǎng)與新能源供電示范區(qū)的功率互濟，還能夠保證頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定，提高大容量新能源電源并網(wǎng)的可靠性。此外，大容量能量路由器裝備具備多個雙向功率端口，涵蓋中壓直流電網(wǎng)領域典型的±375伏、±20千伏等電壓等級，可連接儲能、新能源汽車充電樁和直流配網(wǎng)系統(tǒng)等多種元素，從而促進新能源電量就地消納。

　　國網(wǎng)智研院于2020年成立新型電力系統(tǒng)新能源并網(wǎng)裝備研發(fā)團隊，歷經(jīng)兩年時間，提出并研制了適用于縣域級高比例新能源接入的大容量能量路由器裝備。裝備已通過型式試驗驗證。為了實現(xiàn)風電、光伏發(fā)電、儲能和新能源汽車等多類型電源與負荷的協(xié)同控制，以及縣域100%新能源新型電力系統(tǒng)的長期獨立運行，在大容量能量路由器控制保護技術方面，研發(fā)團隊提出了能量路由器電壓源換流器(VSC換流器)交流電壓主動支撐、新能源接入系統(tǒng)故障穿越、孤島聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定切換等策略，完成VSC換流器全套控制保護策略設計，研制了國際首套110千伏/60兆瓦能量路由器VSC換流器控制保護系統(tǒng)。這些創(chuàng)新突破了新能源高比例、大規(guī)模接入縣域電網(wǎng)后帶來的系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)和安全穩(wěn)定控制難題，有助于實現(xiàn)未來電網(wǎng)安全、高效、協(xié)同運行，提升新能源利用水平。

　　合理布局，實現(xiàn)能量路由器站設備緊湊化設計和無人值守

　　在隨州廣水科技示范工程能量路由器站設計和運維方面，研發(fā)團隊也開展了相應創(chuàng)新。

110千伏/60兆瓦能量路由器閥設備。(國網(wǎng)智研院供圖)

　　一般而言，傳統(tǒng)換流站選址偏僻，對于占地面積的要求較小，但縣域級能量路由器基本位于負荷中心，對于換流站的占地面積、環(huán)境友好性提出了更高要求。為進一步減少能量路由器站的占地面積，縮短工程建設工期，研發(fā)團隊在充分考慮電氣絕緣間距和運行維護便利需求的基礎上，完成了能量路由器站設備的緊湊化設計和無人值守運維設計。

　　能量路由器站直流場設備均采用集裝箱預制艙安裝方式，包括2個110千伏交流端口的集裝箱三聯(lián)預制艙、1個中低壓交流和直流端口的集裝箱五聯(lián)預制艙;交流場開關設備采用戶外新型高壓開關設備(HGIS)，橋臂電抗器采用層疊式布置，進一步縮小了設備體積;控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)設備采用2個符合公司標準的三型集裝箱預制艙，一次、二次電纜均采用地溝布置，整體布局合理，外形美觀。

　　在無人值守運維設計上，能量路由器站所有的控制和監(jiān)視設備均位于站內(nèi)的控制保護艙和協(xié)調(diào)控制艙內(nèi)，可就地或遠程實現(xiàn)設備的控制和監(jiān)視功能，從而實現(xiàn)能量路由器站投運后無人值守。能量路由器投運至今，隨州供電公司調(diào)控中心可以在當?shù)仉S時監(jiān)測和調(diào)取能量路由器站的所有設備狀態(tài)以及切換運行方式，大幅度減少了運維能量路由器站的人力、物力和財力。

　　多項自主化攻關技術應用，助力示范工程安全穩(wěn)定運行

　　除了在能量路由器技術和設計建造上開展創(chuàng)新，國網(wǎng)智研院還在隨州廣水科技示范工程建設中圍繞數(shù)字化絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)驅(qū)動芯片技術、自主化直流電壓互感器技術、低成本中壓直流斷路器技術開展了系列創(chuàng)新，推動直流電容器核心零部件國產(chǎn)化批量應用。這些工作對支撐新型電力系統(tǒng)建設和促進能源高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

　　IGBT是電力電子裝備的核心部件，而驅(qū)動器通過控制門極電荷調(diào)節(jié)IGBT動態(tài)特性，并承擔故障檢測和保護功能，相當于IGBT的“大腦”。國網(wǎng)智研院研究團隊研發(fā)了數(shù)字化驅(qū)動器，可通過算法實現(xiàn)控制保護邏輯，動態(tài)調(diào)節(jié)IGBT開關特性，同時快速檢測多種故障，實現(xiàn)分類精準保護。能量路由器換流閥中100%采用了具有自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)化IGBT驅(qū)動器，并且首次使用了團隊自主研發(fā)的驅(qū)動器核心芯片——數(shù)字型IGBT驅(qū)動芯片，為后續(xù)國產(chǎn)IGBT驅(qū)動器在直流輸電領域的規(guī)模化應用打下了堅實基礎。

　　電壓互感器是用于電壓測量的關鍵設備。特高壓直流、柔性直流、風機變流器等電力電子設備在電網(wǎng)中的廣泛應用，對更寬頻帶、更高精度的電壓測量提出了要求。研發(fā)團隊在國內(nèi)率先成功研制出寬頻高精度電壓互感器系列產(chǎn)品，系列產(chǎn)品中的±20千伏寬頻電壓互感器應用于隨州廣水科技示范工程。該裝置具有測量精度高、運行可靠性好、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，廣泛適用于交直流輸電線路及配電網(wǎng)電壓測量、交直流行波測距、柔性直流電網(wǎng)快速保護、風電并網(wǎng)諧振檢測、電能質(zhì)量監(jiān)測等多種場景。

　　針對高壓直流斷路器成本高、體積大、不利于推廣的問題，研發(fā)團隊于2021年完成了有源振蕩直流斷路器原理樣機開發(fā)與性能測試，2022年5月聯(lián)合許繼集團開發(fā)出20千伏/3毫秒/15千安有源振蕩直流斷路器產(chǎn)品，與混合式技術水平相比，制造成本降低了40%，已在隨州廣水科技示范工程能量路由器中應用。有源振蕩直流斷路器方案在電流、電壓方面均具備良好擴展特性，可應用于更高電壓等級、更大短路電流的中高壓直流輸配電工程，全面提升了直流斷路器技術與經(jīng)濟性能。

　　此外，隨州廣水科技示范工程還實現(xiàn)了國產(chǎn)化電容器在電力系統(tǒng)直流輸電領域中的首次批量應用。研發(fā)團隊聯(lián)合寧波海融、賽晶嘉善等電力電子電容器廠家，開展多項技術攻關，從電容器國產(chǎn)化膜的生產(chǎn)工藝、檢驗手段、試驗標準以及絕緣散熱性能要求等多個維度優(yōu)化，大幅度提升了國產(chǎn)化直流電容器的產(chǎn)品性能和質(zhì)量。（鄧衛(wèi)華 秦駿達）