中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2021年，國(guó)家發(fā)展改革委和國(guó)家能源局發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)電力源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》。隨后，各類源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化工程在國(guó)內(nèi)加速推進(jìn)；在負(fù)荷側(cè)，碳中和園區(qū)成為源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化系統(tǒng)的典型應(yīng)用場(chǎng)景。近期，由清華大學(xué)電機(jī)系、清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院、清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院聯(lián)合三峽集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院牽頭完成的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)柔性一體化”功率路由器示范工程在三峽烏蘭察布現(xiàn)代能源創(chuàng)新示范園成功投運(yùn)，創(chuàng)下多項(xiàng)“世界之最”和“行業(yè)首次”。
一、工程概況
隨著碳中和園區(qū)的建設(shè)及發(fā)展，大規(guī)模分布式新能源、多類型儲(chǔ)能和新型就地負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)中功率靈活轉(zhuǎn)供和新能源可靠消納提出了更高的要求，亟需探索一條源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化的園區(qū)供能新方案。清華大學(xué)聯(lián)合三峽集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院，提出基于功率路由器的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)柔性一體化”園區(qū)碳中和解決方案，項(xiàng)目突破了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、大容量高效率低成本功率路由、超快速故障控制保護(hù)、核心元器件國(guó)產(chǎn)化等多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，成功研制了世界容量最大的12MW四端口功率路由器和新一代超快速全固態(tài)直流斷路器，助力三峽烏蘭察布“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化” 現(xiàn)代能源創(chuàng)新示范園工程建設(shè)及投運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了園區(qū)內(nèi)功率靈活傳輸和高比例新能源消納，打造了園區(qū)碳中和建設(shè)的“清華方案”、“三峽樣板”。
圖1：三峽烏蘭察布“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)基地
二、“源網(wǎng)荷儲(chǔ)柔性一體化”園區(qū)碳中和創(chuàng)新解決方案
國(guó)內(nèi)外在“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”相關(guān)技術(shù)研究、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、示范工程已逐步開(kāi)展，但大都處于一般性探索階段。清華大學(xué)聯(lián)合三峽集團(tuán)科研院創(chuàng)新提出基于功率路由器的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)柔性一體化”園區(qū)碳中和解決方案，可實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)互動(dòng)和區(qū)域功率自平衡。
1.突破“源網(wǎng)荷儲(chǔ)柔性一體化”系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)
結(jié)合三峽烏蘭察布“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)基地內(nèi)源荷儲(chǔ)配置條件，提出基于功率路由器的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)柔性一體化”供能系統(tǒng)架構(gòu)，具備多電壓等級(jí)的交直流端口（雙端10kV交流端口、±5kV可拓展直流端口，±750V真雙極可拓展直流端口，其中±750V采用平衡控制器構(gòu)造成真雙極系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)雙路750V和單路1500V共三路低壓直流輸出），適用于風(fēng)、光、儲(chǔ)等“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”元素的統(tǒng)一、靈活接入，減少電能變換環(huán)節(jié)，提升系統(tǒng)運(yùn)行效率；開(kāi)展系統(tǒng)接入、主接線方式、主回路參數(shù)設(shè)計(jì)、接地方式、絕緣配合設(shè)計(jì)、控制保護(hù)方案等關(guān)鍵技術(shù)的專項(xiàng)攻關(guān)，首次采用了以降壓型公共直流母線為樞紐的功率路由系統(tǒng)架構(gòu)；提出了基于“源網(wǎng)荷儲(chǔ)柔性一體化”功率路由的柔性互動(dòng)控制管理技術(shù)，可控制各個(gè)端口的能量流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)潮流優(yōu)化，支撐新能源高效、高比例消納；提出了具有故障清除能力的功率路由器結(jié)合超快速全固態(tài)直流斷路器的系統(tǒng)故障保護(hù)方案，可以實(shí)現(xiàn)公共母線短路故障快速切除，有效解決了多通道分布式新能源和儲(chǔ)能匯入的低壓直流線路故障隔離清除難題。
圖2：基于功率路由器的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)柔性一體化”供能系統(tǒng)架構(gòu)
2.首創(chuàng)基于IGCT-Plus和中頻隔離的大容量功率路由器
現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外功率路由器方案中大多采用基于IGBT或SiC器件和高頻隔離的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)大容量功率路由器需要上百個(gè)功率模塊上千只功率器件，導(dǎo)致裝備成本和體積較高，可靠性較低。
三峽烏蘭察布“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”功率路由器示范工程首次應(yīng)用了清華大學(xué)、三峽集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院、西安西電電力系統(tǒng)有限公司聯(lián)合研制的基于IGCT-Plus和中頻隔離的大容量功率路由器，并通過(guò)第三性能測(cè)試。單個(gè)DAB功率模塊達(dá)1MW，相比現(xiàn)有工程中DAB模塊，容量提升10倍以上，功率模塊數(shù)量減少60%以上，大幅減少了裝備成本、體積和故障率。
圖3：“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”功率路由器
為了提高功率轉(zhuǎn)換效率，提出基于近零開(kāi)關(guān)損耗的復(fù)合調(diào)制技術(shù)，采用全過(guò)程軟開(kāi)關(guān)大幅減少I(mǎi)GCT-Plus器件的開(kāi)關(guān)損耗，在此基礎(chǔ)上，依靠低通態(tài)壓降的IGCT-Plus器件降低通態(tài)損耗，最高效率達(dá)到98.6%。此外，本項(xiàng)目中功率路由器首次作為區(qū)域代理，實(shí)現(xiàn)所在區(qū)域“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”各元素的能量和故障管理，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償、諧波治理等高級(jí)應(yīng)用。
功率路由器是雙碳背景下新型配網(wǎng)和園區(qū)的核心裝備、“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”運(yùn)行的理想載體，有望成為未來(lái)新型電力系統(tǒng)的能量管理樞紐。
3.成功研制新一代超快速相變冷卻全固態(tài)直流斷路器
基于功率半導(dǎo)體器件的全固態(tài)直流斷路器利用半導(dǎo)體器件內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電流開(kāi)斷，具有超快速開(kāi)斷、超長(zhǎng)電氣壽命等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛適用于低壓直流系統(tǒng)的快速保護(hù)。但現(xiàn)有全固態(tài)直流斷路器仍存在體積大、開(kāi)斷水平低、散熱能力有限等問(wèn)題，亟待解決。
為了減小全固態(tài)直流斷路器的體積、提升全固態(tài)直流斷路器的故障保護(hù)速度，提出基于國(guó)產(chǎn)逆阻型IGCT器件的全固態(tài)直流斷路器反并聯(lián)高緊湊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和主被動(dòng)結(jié)合保護(hù)方法，較現(xiàn)有全固態(tài)直流斷路器體積減小30%以上，可在100μs內(nèi)完成電流開(kāi)斷，是混合式直流斷路器開(kāi)斷速度的30倍。針對(duì)全固態(tài)直流斷路器高可靠高效散熱難題，提出適用于全固態(tài)直流斷路器的強(qiáng)迫風(fēng)冷+重力熱管散熱方案，突破基于重力熱管的相變冷卻技術(shù)，成功研制3kW級(jí)重力熱管，可保障全固態(tài)直流斷路器2kA通流下安全穩(wěn)定運(yùn)行，散熱能力較常規(guī)散熱片提升三倍以上。
圖4：全固態(tài)直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及10kA開(kāi)斷波形
面向“源網(wǎng)荷儲(chǔ)柔性一體化”功率路由器示范工程的應(yīng)用需求，聯(lián)合三峽集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院、山東泰開(kāi)直流技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)了±750V/10kA全固態(tài)直流斷路器，通過(guò)了第三方型式試驗(yàn)，額定2kA電流工況下1.2V超低通態(tài)壓降，可在100μs內(nèi)開(kāi)斷10kA電流，有效解決了基地低壓直流線路故障隔離清除的難題。
圖5：±750V/10kA全固態(tài)直流斷路器
這是繼張北500kV混合式直流斷路器、珠海10kV三端口直流斷路器、東莞10kV混合式直流斷路器及±375V固態(tài)式直流斷路器、蘇州10kV直流負(fù)荷開(kāi)關(guān)投入運(yùn)行之后，清華自主創(chuàng)新的直流開(kāi)斷技術(shù)的又一次突破。
4.應(yīng)用全國(guó)產(chǎn)化核心元部件
三峽烏蘭察布“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”功率路由器中功率半導(dǎo)體器件和磁性變壓器均為自主國(guó)產(chǎn)化器件。功率路由器采用的IGCT-Plus器件由清華大學(xué)和株洲中車(chē)時(shí)代半導(dǎo)體有限公司聯(lián)合研制，具有超低通態(tài)損耗和高暫態(tài)耐受能力。直流斷路器采用的逆阻型IGCT-Plus器件由清華大學(xué)牽頭研制，最大開(kāi)斷電流5kA，2kA通流下通態(tài)壓降低至1.2V。
圖6：新一代IGCT-Plus器件
功率路由器采用的中頻隔離變壓器由清華大學(xué)和株洲中車(chē)奇宏散熱技術(shù)有限公司聯(lián)合研制，采用基于超薄硅鋼和銅箔繞組的低損耗、高密度、低成本中頻變壓器方案，單體容量1.25MW，可實(shí)現(xiàn)mH級(jí)大電感集成，體積降低30%，最高效率達(dá)99.4%。
圖7：1.25MW高密度低成本中頻隔離變壓器
三、應(yīng)用前景
基于功率路由器的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)柔性一體化”系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于低碳園區(qū)開(kāi)發(fā)和新型配網(wǎng)建設(shè)中，支撐大規(guī)模分布式新能源、儲(chǔ)能、各種類型負(fù)荷的統(tǒng)一、高效、靈活的接入，實(shí)現(xiàn)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”靈活互動(dòng)，提高能源利用效率；并且通過(guò)多個(gè)基于功率路由器的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”單元建設(shè)，可以形成多節(jié)點(diǎn)、多層級(jí)的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更廣泛區(qū)域內(nèi)的源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)互動(dòng)。隨著更加經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的技術(shù)方案實(shí)施和推動(dòng)，在未來(lái)構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)過(guò)程中，有望作為一種典型形態(tài)進(jìn)行應(yīng)用推廣。
三峽烏蘭察布
“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)基地介紹
為深入貫徹落實(shí)習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于“做好現(xiàn)代能源這篇大文章”的重要指示，響應(yīng)“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，三峽集團(tuán)在內(nèi)蒙古烏蘭察布三峽現(xiàn)代能源創(chuàng)新示范園投資6億元，建設(shè)集科研、實(shí)證、應(yīng)用為一體，產(chǎn)、學(xué)、研、用深度融合的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)基地。瞄準(zhǔn)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)亟需研究的新能源并網(wǎng)技術(shù)、大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)、源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化調(diào)度技術(shù)等問(wèn)題，由三峽集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院牽頭，聯(lián)合清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、華北電力大學(xué)等20余所國(guó)內(nèi)頂尖科研機(jī)構(gòu)和院校攻關(guān)，為新型電力系統(tǒng)建設(shè)探索多源高效互補(bǔ)、源網(wǎng)荷儲(chǔ)靈活互動(dòng)的解決方案。
試驗(yàn)基地按照“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”一體化架構(gòu)總體設(shè)計(jì)，以“儲(chǔ)”為核，以”網(wǎng)“為骨，規(guī)劃建設(shè)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”功率路由器示范工程，以及壓縮空氣儲(chǔ)能、鈉離子電池?cái)?shù)字儲(chǔ)能、水系鈉離子電池儲(chǔ)能、固態(tài)電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、液流電池儲(chǔ)能、鋰離子電池/超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能等13個(gè)重點(diǎn)示范項(xiàng)目以及大規(guī)模新能源接入仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室、儲(chǔ)能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室等2個(gè)行業(yè)領(lǐng)先實(shí)驗(yàn)室。
近期，“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”功率路由器示范工程、大規(guī)模新能源及儲(chǔ)能綜合仿真與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、兆瓦時(shí)級(jí)固態(tài)鋰離子電池儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用、兆瓦級(jí)直流耦合接入的鋰離子電池/超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能系統(tǒng)和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)等一批科研成果投運(yùn)，創(chuàng)下多個(gè)“世界之最”和“行業(yè)首次”紀(jì)錄。
