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清华大学“源网荷储柔性一体化”园区碳中和创新解决方案落地应用

作者:中国储能网新闻中心 来源:清华大学能源互联网创新研究院 发布时间:2022-06-29 浏览:

中国储能网讯:2021年,国家发展改革委和国家能源局发布《关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》。随后,各类源网荷储一体化工程在国内加速推进;在负荷侧,碳中和园区成为源网荷储一体化系统的典型应用场景。近期,由清华大学电机系、清华大学能源互联网创新研究院、清华四川能源互联网研究院联合三峡集团科学技术研究院牵头完成的“源网荷储柔性一体化”功率路由器示范工程在三峡乌兰察布现代能源创新示范园成功投运,创下多项“世界之最”和“行业首次”。

一、工程概况

随着碳中和园区的建设及发展,大规模分布式新能源、多类型储能和新型就地负荷对系统中功率灵活转供和新能源可靠消纳提出了更高的要求,亟需探索一条源网荷储一体化的园区供能新方案。清华大学联合三峡集团科学技术研究院,提出基于功率路由器的“源网荷储柔性一体化”园区碳中和解决方案,项目突破了系统设计、大容量高效率低成本功率路由、超快速故障控制保护、核心元器件国产化等多项创新技术,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态直流断路器,助力三峡乌兰察布“源网荷储一体化” 现代能源创新示范园工程建设及投运,实现了园区内功率灵活传输和高比例新能源消纳,打造了园区碳中和建设的“清华方案”、“三峡样板”。

图1:三峡乌兰察布“源网荷储”技术研发试验基地

二、“源网荷储柔性一体化”园区碳中和创新解决方案

国内外在“源网荷储”相关技术研究、实验系统、示范工程已逐步开展,但大都处于一般性探索阶段。清华大学联合三峡集团科研院创新提出基于功率路由器的“源网荷储柔性一体化”园区碳中和解决方案,可实现源网荷储协调互动和区域功率自平衡。

1.突破“源网荷储柔性一体化”系统设计技术

结合三峡乌兰察布“源网荷储”技术研发试验基地内源荷储配置条件,提出基于功率路由器的“源网荷储柔性一体化”供能系统架构,具备多电压等级的交直流端口(双端10kV交流端口、±5kV可拓展直流端口,±750V真双极可拓展直流端口,其中±750V采用平衡控制器构造成真双极系统,可以实现双路750V和单路1500V共三路低压直流输出),适用于风、光、储等“源网荷储”元素的统一、灵活接入,减少电能变换环节,提升系统运行效率;开展系统接入、主接线方式、主回路参数设计、接地方式、绝缘配合设计、控制保护方案等关键技术的专项攻关,首次采用了以降压型公共直流母线为枢纽的功率路由系统架构;提出了基于“源网荷储柔性一体化”功率路由的柔性互动控制管理技术,可控制各个端口的能量流动,实现系统潮流优化,支撑新能源高效、高比例消纳;提出了具有故障清除能力的功率路由器结合超快速全固态直流断路器的系统故障保护方案,可以实现公共母线短路故障快速切除,有效解决了多通道分布式新能源和储能汇入的低压直流线路故障隔离清除难题。

图2:基于功率路由器的“源网荷储柔性一体化”供能系统架构

2.首创基于IGCT-Plus和中频隔离的大容量功率路由器

现有国内外功率路由器方案中大多采用基于IGBT或SiC器件和高频隔离的技术路线,实现大容量功率路由器需要上百个功率模块上千只功率器件,导致装备成本和体积较高,可靠性较低。

三峡乌兰察布“源网荷储”功率路由器示范工程首次应用了清华大学、三峡集团科学技术研究院、西安西电电力系统有限公司联合研制的基于IGCT-Plus和中频隔离的大容量功率路由器,并通过第三性能测试。单个DAB功率模块达1MW,相比现有工程中DAB模块,容量提升10倍以上,功率模块数量减少60%以上,大幅减少了装备成本、体积和故障率。

图3:“源网荷储一体化”功率路由器

为了提高功率转换效率,提出基于近零开关损耗的复合调制技术,采用全过程软开关大幅减少IGCT-Plus器件的开关损耗,在此基础上,依靠低通态压降的IGCT-Plus器件降低通态损耗,最高效率达到98.6%。此外,本项目中功率路由器首次作为区域代理,实现所在区域“源网荷储”各元素的能量和故障管理,实现无功补偿、谐波治理等高级应用。

功率路由器是双碳背景下新型配网和园区的核心装备、“源网荷储一体化”运行的理想载体,有望成为未来新型电力系统的能量管理枢纽。

3.成功研制新一代超快速相变冷却全固态直流断路器

基于功率半导体器件的全固态直流断路器利用半导体器件内部载流子运动实现电流开断,具有超快速开断、超长电气寿命等优点,可广泛适用于低压直流系统的快速保护。但现有全固态直流断路器仍存在体积大、开断水平低、散热能力有限等问题,亟待解决。

为了减小全固态直流断路器的体积、提升全固态直流断路器的故障保护速度,提出基于国产逆阻型IGCT器件的全固态直流断路器反并联高紧凑拓扑结构和主被动结合保护方法,较现有全固态直流断路器体积减小30%以上,可在100μs内完成电流开断,是混合式直流断路器开断速度的30倍。针对全固态直流断路器高可靠高效散热难题,提出适用于全固态直流断路器的强迫风冷+重力热管散热方案,突破基于重力热管的相变冷却技术,成功研制3kW级重力热管,可保障全固态直流断路器2kA通流下安全稳定运行,散热能力较常规散热片提升三倍以上。

图4:全固态直流断路器拓扑结构及10kA开断波形

面向“源网荷储柔性一体化”功率路由器示范工程的应用需求,联合三峡集团科学技术研究院、山东泰开直流技术有限公司开发了±750V/10kA全固态直流断路器,通过了第三方型式试验,额定2kA电流工况下1.2V超低通态压降,可在100μs内开断10kA电流,有效解决了基地低压直流线路故障隔离清除的难题。

图5:±750V/10kA全固态直流断路器

这是继张北500kV混合式直流断路器、珠海10kV三端口直流断路器、东莞10kV混合式直流断路器及±375V固态式直流断路器、苏州10kV直流负荷开关投入运行之后,清华自主创新的直流开断技术的又一次突破。

4.应用全国产化核心元部件

三峡乌兰察布“源网荷储”功率路由器中功率半导体器件和磁性变压器均为自主国产化器件。功率路由器采用的IGCT-Plus器件由清华大学和株洲中车时代半导体有限公司联合研制,具有超低通态损耗和高暂态耐受能力。直流断路器采用的逆阻型IGCT-Plus器件由清华大学牵头研制,最大开断电流5kA,2kA通流下通态压降低至1.2V。

图6:新一代IGCT-Plus器件

功率路由器采用的中频隔离变压器由清华大学和株洲中车奇宏散热技术有限公司联合研制,采用基于超薄硅钢和铜箔绕组的低损耗、高密度、低成本中频变压器方案,单体容量1.25MW,可实现mH级大电感集成,体积降低30%,最高效率达99.4%。

图7:1.25MW高密度低成本中频隔离变压器

三、应用前景

基于功率路由器的“源网荷储柔性一体化”系统可广泛应用于低碳园区开发和新型配网建设中,支撑大规模分布式新能源、储能、各种类型负荷的统一、高效、灵活的接入,实现“源网荷储”灵活互动,提高能源利用效率;并且通过多个基于功率路由器的“源网荷储一体化”单元建设,可以形成多节点、多层级的“源网荷储一体化”系统,实现更广泛区域内的源网荷储协调互动。随着更加经济、高效、可靠的技术方案实施和推动,在未来构建以新能源为主体的新型电力系统过程中,有望作为一种典型形态进行应用推广。

三峡乌兰察布

“源网荷储”技术研发试验基地介绍

为深入贯彻落实习近平总书记关于“做好现代能源这篇大文章”的重要指示,响应“碳达峰、碳中和”的战略目标,三峡集团在内蒙古乌兰察布三峡现代能源创新示范园投资6亿元,建设集科研、实证、应用为一体,产、学、研、用深度融合的“源网荷储”技术研发试验基地。瞄准以新能源为主体的新型电力系统亟需研究的新能源并网技术、大规模储能技术、源网荷储一体化调度技术等问题,由三峡集团科学技术研究院牵头,联合清华大学、中国科学院、华北电力大学等20余所国内顶尖科研机构和院校攻关,为新型电力系统建设探索多源高效互补、源网荷储灵活互动的解决方案。

试验基地按照“源网荷储”一体化架构总体设计,以“储”为核,以”网“为骨,规划建设“源网荷储一体化”功率路由器示范工程,以及压缩空气储能、钠离子电池数字储能、水系钠离子电池储能、固态电池储能、飞轮储能、液流电池储能、锂离子电池/超级电容器混合储能等13个重点示范项目以及大规模新能源接入仿真验证实验室、储能检测实验室等2个行业领先实验室。

近期,“源网荷储一体化”功率路由器示范工程、大规模新能源及储能综合仿真与实验平台、兆瓦时级固态锂离子电池储能关键技术及工程应用、兆瓦级直流耦合接入的锂离子电池/超级电容器混合储能系统和飞轮储能系统等一批科研成果投运,创下多个“世界之最”和“行业首次”纪录。

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关键字:储能系统

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