中國儲能網(wǎng)訊：2021年，國家發(fā)展改革委和國家能源局發(fā)布《關(guān)于推進電力源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補發(fā)展的指導(dǎo)意見》。隨后，各類源網(wǎng)荷儲一體化工程在國內(nèi)加速推進；在負荷側(cè)，碳中和園區(qū)成為源網(wǎng)荷儲一體化系統(tǒng)的典型應(yīng)用場景。近期，由清華大學(xué)電機系、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)合三峽集團科學(xué)技術(shù)研究院牽頭完成的“源網(wǎng)荷儲柔性一體化”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，創(chuàng)下多項“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、多類型儲能和新型就地負荷對系統(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)荷儲一體化的園區(qū)供能新方案。清華大學(xué)聯(lián)合三峽集團科學(xué)技術(shù)研究院，提出基于功率路由器的“源網(wǎng)荷儲柔性一體化”園區(qū)碳中和解決方案，項目突破了系統(tǒng)設(shè)計、大容量高效率低成本功率路由、超快速故障控制保護、核心元器件國產(chǎn)化等多項創(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)荷儲一體化” 現(xiàn)代能源創(chuàng)新示范園工程建設(shè)及投運，實現(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”技術(shù)研發(fā)試驗基地
二、“源網(wǎng)荷儲柔性一體化”園區(qū)碳中和創(chuàng)新解決方案
國內(nèi)外在“源網(wǎng)荷儲”相關(guān)技術(shù)研究、實驗系統(tǒng)、示范工程已逐步開展，但大都處于一般性探索階段。清華大學(xué)聯(lián)合三峽集團科研院創(chuàng)新提出基于功率路由器的“源網(wǎng)荷儲柔性一體化”園區(qū)碳中和解決方案，可實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)互動和區(qū)域功率自平衡。
1.突破“源網(wǎng)荷儲柔性一體化”系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)
結(jié)合三峽烏蘭察布“源網(wǎng)荷儲”技術(shù)研發(fā)試驗基地內(nèi)源荷儲配置條件，提出基于功率路由器的“源網(wǎng)荷儲柔性一體化”供能系統(tǒng)架構(gòu)，具備多電壓等級的交直流端口（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、儲等“源網(wǎng)荷儲”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)運行效率；開展系統(tǒng)接入、主接線方式、主回路參數(shù)設(shè)計、接地方式、絕緣配合設(shè)計、控制保護方案等關(guān)鍵技術(shù)的專項攻關(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)荷儲柔性一體化”功率路由的柔性互動控制管理技術(shù)，可控制各個端口的能量流動，實現(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)故障保護方案，可以實現(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，實現(xiàn)大容量功率路由器需要上百個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”功率路由器示范工程首次應(yīng)用了清華大學(xué)、三峽集團科學(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，并通過第三性能測試。單個DAB功率模塊達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，提出基于近零開關(guān)損耗的復(fù)合調(diào)制技術(shù)，采用全過程軟開關(guān)大幅減少IGCT-Plus器件的開關(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，最高效率達到98.6%。此外，本項目中功率路由器首次作為區(qū)域代理，實現(xiàn)所在區(qū)域“源網(wǎng)荷儲”各元素的能量和故障管理，實現(xiàn)無功補償、諧波治理等高級應(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)荷儲一體化”運行的理想載體，有望成為未來新型電力系統(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)部載流子運動實現(xiàn)電流開斷，具有超快速開斷、超長電氣壽命等優(yōu)點，可廣泛適用于低壓直流系統(tǒng)的快速保護。但現(xiàn)有全固態(tài)直流斷路器仍存在體積大、開斷水平低、散熱能力有限等問題，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速度，提出基于國產(chǎn)逆阻型IGCT器件的全固態(tài)直流斷路器反并聯(lián)高緊湊拓撲結(jié)構(gòu)和主被動結(jié)合保護方法，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)完成電流開斷，是混合式直流斷路器開斷速度的30倍。針對全固態(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)直流斷路器拓撲結(jié)構(gòu)及10kA開斷波形
面向“源網(wǎng)荷儲柔性一體化”功率路由器示范工程的應(yīng)用需求，聯(lián)合三峽集團科學(xué)技術(shù)研究院、山東泰開直流技術(shù)有限公司開發(fā)了±750V/10kA全固態(tài)直流斷路器，通過了第三方型式試驗，額定2kA電流工況下1.2V超低通態(tài)壓降，可在100μs內(nèi)開斷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直流負荷開關(guān)投入運行之后，清華自主創(chuàng)新的直流開斷技術(shù)的又一次突破。
4.應(yīng)用全國產(chǎn)化核心元部件
三峽烏蘭察布“源網(wǎng)荷儲”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)和株洲中車時代半導(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，可實現(xiàn)mH級大電感集成，體積降低30%，最高效率達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)荷儲柔性一體化”系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于低碳園區(qū)開發(fā)和新型配網(wǎng)建設(shè)中，支撐大規(guī)模分布式新能源、儲能、各種類型負荷的統(tǒng)一、高效、靈活的接入，實現(xiàn)“源網(wǎng)荷儲”靈活互動，提高能源利用效率；并且通過多個基于功率路由器的“源網(wǎng)荷儲一體化”單元建設(shè)，可以形成多節(jié)點、多層級的“源網(wǎng)荷儲一體化”系統(tǒng)，實現(xiàn)更廣泛區(qū)域內(nèi)的源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)互動。隨著更加經(jīng)濟、高效、可靠的技術(shù)方案實施和推動，在未來構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)過程中，有望作為一種典型形態(tài)進行應(yīng)用推廣。
三峽烏蘭察布
“源網(wǎng)荷儲”技術(shù)研發(fā)試驗基地介紹
為深入貫徹落實習(xí)近平總書記關(guān)于“做好現(xiàn)代能源這篇大文章”的重要指示，響應(yīng)“碳達峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標，三峽集團在內(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、實證、應(yīng)用為一體，產(chǎn)、學(xué)、研、用深度融合的“源網(wǎng)荷儲”技術(shù)研發(fā)試驗基地。瞄準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)模儲能技術(shù)、源網(wǎng)荷儲一體化調(diào)度技術(shù)等問題，由三峽集團科學(xué)技術(shù)研究院牽頭，聯(lián)合清華大學(xué)、中國科學(xué)院、華北電力大學(xué)等20余所國內(nèi)頂尖科研機構(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、源網(wǎng)荷儲靈活互動的解決方案。
試驗基地按照“源網(wǎng)荷儲”一體化架構(gòu)總體設(shè)計，以“儲”為核，以”網(wǎng)“為骨，規(guī)劃建設(shè)“源網(wǎng)荷儲一體化”功率路由器示范工程，以及壓縮空氣儲能、鈉離子電池數(shù)字儲能、水系鈉離子電池儲能、固態(tài)電池儲能、飛輪儲能、液流電池儲能、鋰離子電池/超級電容器混合儲能等13個重點示范項目以及大規(guī)模新能源接入仿真驗證實驗室、儲能檢測實驗室等2個行業(yè)領(lǐng)先實驗室。
近期，“源網(wǎng)荷儲一體化”功率路由器示范工程、大規(guī)模新能源及儲能綜合仿真與實驗平臺、兆瓦時級固態(tài)鋰離子電池儲能關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用、兆瓦級直流耦合接入的鋰離子電池/超級電容器混合儲能系統(tǒng)和飛輪儲能系統(tǒng)等一批科研成果投運，創(chuàng)下多個“世界之最”和“行業(yè)首次”紀錄。
