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

　　國網(wǎng)智研院依托公司科技項(xiàng)目研發(fā)了大容量多端口能量路由器的技術(shù)拓?fù)浜投喽丝谥绷骺刂票Ｗo(hù)技術(shù)，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(shù)裝備，通過技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為工程建設(shè)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(yùn)行試驗(yàn)順利完成。試驗(yàn)過程中，換流器及其控制保護(hù)系統(tǒng)無任何故障和異常報(bào)文，為實(shí)現(xiàn)縣域級(jí)高比例可再生能源電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行以及源網(wǎng)荷儲(chǔ)動(dòng)態(tài)平衡奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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(jiǎn)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(xiàng)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(dòng)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(gè)開放的具有未來電網(wǎng)特征的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和可靠的能源供應(yīng)物理網(wǎng)絡(luò)。依托公司科技項(xiàng)目“縣域級(jí)高比例可再生能源電力系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)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(shù)拓?fù)浜投喽丝谥绷骺刂票Ｗo(hù)技術(shù)，研制了隨州廣水科技示范工程核心技術(shù)裝備，通過技術(shù)成果轉(zhuǎn)化支撐了示范工程建設(shè)。

　　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(yīng)用以及風(fēng)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(diǎn)，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(gòu)建新型電力系統(tǒng)研究的重點(diǎn)之一。

　　據(jù)國網(wǎng)智研院總工程師、“縣域級(jí)高比例可再生能源電力系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人賀之淵介紹，隨州廣水科技示范工程在電源側(cè)采用自同步電壓源控制技術(shù)的94兆瓦風(fēng)電和光伏發(fā)電機(jī)組供電，在電網(wǎng)側(cè)安裝了世界首臺(tái)電壓等級(jí)最高、容量最大的縣域電網(wǎng)能量路由器，在儲(chǔ)能側(cè)分散布置了總?cè)萘繛?5兆瓦/30兆瓦時(shí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，在負(fù)荷側(cè)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(fù)荷，在控制保護(hù)方面研制了世界首套可支持縣域級(jí)全可再生能源電網(wǎng)高效穩(wěn)定運(yùn)行的源網(wǎng)荷儲(chǔ)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(fù)責(zé)高壓大容量能量路由器的方案設(shè)計(jì)和裝備研制。

　　隨州廣水科技示范工程的實(shí)時(shí)協(xié)同控制系統(tǒng)相當(dāng)于“大腦”，可在新能源發(fā)電機(jī)組出力出現(xiàn)盈虧時(shí)，讓儲(chǔ)能設(shè)備存儲(chǔ)或釋放能量，通過需求側(cè)響應(yīng)削峰填谷，調(diào)動(dòng)高壓大容量能量路由器進(jìn)行潮流雙向控制，實(shí)現(xiàn)電力電量平衡，保障供電穩(wěn)定性。在這項(xiàng)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(shí)現(xiàn)主電網(wǎng)與新能源供電示范區(qū)的功率互濟(jì)，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(gè)雙向功率端口，涵蓋中壓直流電網(wǎng)領(lǐng)域典型的±375伏、±20千伏等電壓等級(jí)，可連接儲(chǔ)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(jìn)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(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)兩年時(shí)間，提出并研制了適用于縣域級(jí)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(yàn)驗(yàn)證。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)電、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能和新能源汽車等多類型電源與負(fù)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(dú)立運(yùn)行，在大容量能量路由器控制保護(hù)技術(shù)方面，研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出了能量路由器電壓源換流器(VSC換流器)交流電壓主動(dòng)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(hù)策略設(shè)計(jì)，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(hù)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(shí)現(xiàn)未來電網(wǎng)安全、高效、協(xié)同運(yùn)行，提升新能源利用水平。

　　合理布局，實(shí)現(xiàn)能量路由器站設(shè)備緊湊化設(shè)計(jì)和無人值守

　　在隨州廣水科技示范工程能量路由器站設(shè)計(jì)和運(yùn)維方面，研發(fā)團(tuán)隊(duì)也開展了相應(yīng)創(chuàng)新。

110千伏/60兆瓦能量路由器閥設(shè)備。(國網(wǎng)智研院供圖)

　　一般而言，傳統(tǒng)換流站選址偏僻，對(duì)于占地面積的要求較小，但縣域級(jí)能量路由器基本位于負(fù)荷中心，對(duì)于換流站的占地面積、環(huán)境友好性提出了更高要求。為進(jìn)一步減少能量路由器站的占地面積，縮短工程建設(shè)工期，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在充分考慮電氣絕緣間距和運(yùn)行維護(hù)便利需求的基礎(chǔ)上，完成了能量路由器站設(shè)備的緊湊化設(shè)計(jì)和無人值守運(yùn)維設(shè)計(jì)。

　　能量路由器站直流場(chǎng)設(shè)備均采用集裝箱預(yù)制艙安裝方式，包括2個(gè)110千伏交流端口的集裝箱三聯(lián)預(yù)制艙、1個(gè)中低壓交流和直流端口的集裝箱五聯(lián)預(yù)制艙;交流場(chǎng)開關(guān)設(shè)備采用戶外新型高壓開關(guān)設(shè)備(HGIS)，橋臂電抗器采用層疊式布置，進(jìn)一步縮小了設(shè)備體積;控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)設(shè)備采用2個(gè)符合公司標(biāo)準(zhǔn)的三型集裝箱預(yù)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(yùn)維設(shè)計(jì)上，能量路由器站所有的控制和監(jiān)視設(shè)備均位于站內(nèi)的控制保護(hù)艙和協(xié)調(diào)控制艙內(nèi)，可就地或遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制和監(jiān)視功能，從而實(shí)現(xiàn)能量路由器站投運(yùn)后無人值守。能量路由器投運(yùn)至今，隨州供電公司調(diào)控中心可以在當(dāng)?shù)仉S時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)取能量路由器站的所有設(shè)備狀態(tài)以及切換運(yùn)行方式，大幅度減少了運(yùn)維能量路由器站的人力、物力和財(cái)力。

　　多項(xiàng)自主化攻關(guān)技術(shù)應(yīng)用，助力示范工程安全穩(wěn)定運(yùn)行

　　除了在能量路由器技術(shù)和設(shè)計(jì)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(shè)中圍繞數(shù)字化絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)驅(qū)動(dòng)芯片技術(shù)、自主化直流電壓互感器技術(shù)、低成本中壓直流斷路器技術(shù)開展了系列創(chuàng)新，推動(dòng)直流電容器核心零部件國產(chǎn)化批量應(yīng)用。這些工作對(duì)支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)和促進(jìn)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(dòng)器通過控制門極電荷調(diào)節(jié)IGBT動(dòng)態(tài)特性，并承擔(dān)故障檢測(cè)和保護(hù)功能，相當(dāng)于IGBT的“大腦”。國網(wǎng)智研院研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了數(shù)字化驅(qū)動(dòng)器，可通過算法實(shí)現(xiàn)控制保護(hù)邏輯，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)IGBT開關(guān)特性，同時(shí)快速檢測(cè)多種故障，實(shí)現(xiàn)分類精準(zhǔn)保護(hù)。能量路由器換流閥中100%采用了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化IGBT驅(qū)動(dòng)器，并且首次使用了團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的驅(qū)動(dòng)器核心芯片——數(shù)字型IGBT驅(qū)動(dòng)芯片，為后續(xù)國產(chǎn)IGBT驅(qū)動(dòng)器在直流輸電領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　電壓互感器是用于電壓測(cè)量的關(guān)鍵設(shè)備。特高壓直流、柔性直流、風(fēng)機(jī)變流器等電力電子設(shè)備在電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用，對(duì)更寬頻帶、更高精度的電壓測(cè)量提出了要求。研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(yīng)用于隨州廣水科技示范工程。該裝置具有測(cè)量精度高、運(yùn)行可靠性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于交直流輸電線路及配電網(wǎng)電壓測(cè)量、交直流行波測(cè)距、柔性直流電網(wǎng)快速保護(hù)、風(fēng)電并網(wǎng)諧振檢測(cè)、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)等多種場(chǎng)景。

　　針對(duì)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(tuán)隊(duì)于2021年完成了有源振蕩直流斷路器原理樣機(jī)開發(fā)與性能測(cè)試，2022年5月聯(lián)合許繼集團(tuán)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(shù)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(yīng)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(kuò)展特性，可應(yīng)用于更高電壓等級(jí)、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(shù)與經(jīng)濟(jì)性能。

　　此外，隨州廣水科技示范工程還實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化電容器在電力系統(tǒng)直流輸電領(lǐng)域中的首次批量應(yīng)用。研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，從電容器國產(chǎn)化膜的生產(chǎn)工藝、檢驗(yàn)手段、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以及絕緣散熱性能要求等多個(gè)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(dá)）