國網智研院大容量能量路由器技術 支撐新型電力系統建設

　　國網智研院依托公司科技項目研發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科技示范工程能量路由器60兆瓦換流器帶示范區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無任何故障和異常報文，為實現縣域級高比例可再生能源電網穩定運行以及源網荷儲動態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。(國網智研院供圖)

　　隨州廣水100%新能源新型電力系統科技示范工程(簡稱“隨州廣水科技示范工程”)是國家電網有限公司新型電力系統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平方千米供區內超過20萬人提供了清潔能源，形成了一個開放的具有未來電網特征的實驗平臺和可靠的能源供應物理網絡。依托公司科技項目“縣域級高比例可再生能源電力系統運行關鍵技術研究”，國網智能電網研究院有限公司研發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，保障新能源電源穩定可靠并網

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

　　據國網智研院總工程師、“縣域級高比例可再生能源電力系統運行關鍵技術研究”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電機組供電，在電網側安裝了世界首臺電壓等級最高、容量最大的縣域電網能量路由器，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，在負荷側形成了12兆瓦分布式微電網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高效穩定運行的源網荷儲協同控制系統。國網湖北省電力有限公司作為工程牽頭單位，國網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同控制系統相當于“大腦”，可在新能源發電機組出力出現盈虧時，讓儲能設備存儲或釋放能量，通過需求側響應削峰填谷，調動高壓大容量能量路由器進行潮流雙向控制，實現電力電量平衡，保障供電穩定性。在這項工程中發揮重要作用的大容量能量路由器裝備連接主電網與新能源供電示范區，能夠靈活控制上網和下網潮流方向及能量大小，不但能實現主電網與新能源供電示范區的功率互濟，還能夠保證頻率穩定和電壓穩定，提高大容量新能源電源并網的可靠性。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系統等多種元素，從而促進新能源電量就地消納。

　　國網智研院于2020年成立新型電力系統新能源并網裝備研發團隊，歷經兩年時間，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。為了實現風電、光伏發電、儲能和新能源汽車等多類型電源與負荷的協同控制，以及縣域100%新能源新型電力系統的長期獨立運行，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、新能源接入系統故障穿越、孤島聯網穩定切換等策略，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。這些創新突破了新能源高比例、大規模接入縣域電網后帶來的系統平衡調節和安全穩定控制難題，有助于實現未來電網安全、高效、協同運行，提升新能源利用水平。

　　合理布局，實現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，研發團隊也開展了相應創新。

110千伏/60兆瓦能量路由器閥設備。(國網智研院供圖)

　　一般而言，傳統換流站選址偏僻，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預制艙、1個中低壓交流和直流端口的集裝箱五聯預制艙;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;控制系統和輔助系統設備采用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視設備均位于站內的控制保護艙和協調控制艙內，可就地或遠程實現設備的控制和監視功能，從而實現能量路由器站投運后無人值守。能量路由器投運至今，隨州供電公司調控中心可以在當地隨時監測和調取能量路由器站的所有設備狀態以及切換運行方式，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定運行

　　除了在能量路由器技術和設計建造上開展創新，國網智研院還在隨州廣水科技示范工程建設中圍繞數字化絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)驅動芯片技術、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新，推動直流電容器核心零部件國產化批量應用。這些工作對支撐新型電力系統建設和促進能源高質量發展具有重要意義。

　　IGBT是電力電子裝備的核心部件，而驅動器通過控制門極電荷調節IGBT動態特性，并承擔故障檢測和保護功能，相當于IGBT的“大腦”。國網智研院研究團隊研發了數字化驅動器，可通過算法實現控制保護邏輯，動態調節IGBT開關特性，同時快速檢測多種故障，實現分類精準保護。能量路由器換流閥中100%采用了具有自主知識產權的國產化IGBT驅動器，并且首次使用了團隊自主研發的驅動器核心芯片——數字型IGBT驅動芯片，為后續國產IGBT驅動器在直流輸電領域的規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。研發團隊在國內率先成功研制出寬頻高精度電壓互感器系列產品，系列產品中的±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、環境適應性強等優點，廣泛適用于交直流輸電線路及配電網電壓測量、交直流行波測距、柔性直流電網快速保護、風電并網諧振檢測、電能質量監測等多種場景。

　　針對高壓直流斷路器成本高、體積大、不利于推廣的問題，研發團隊于2021年完成了有源振蕩直流斷路器原理樣機開發與性能測試，2022年5月聯合許繼集團開發出20千伏/3毫秒/15千安有源振蕩直流斷路器產品，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濟性能。

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