国网智研院：大容量能量路由器技术支撑新型电力系统建设

核心提示：国网智研院依托公司科技项目研发了大容量多端口能量路由器的技术拓扑和多端口直流控制保护技术，为随州广水100%新能源新型电力系统科技示范工程研制了核心技术装备，通过技术成果转化为工程建设提供了支撑。

1月31日，湖北随州广水100%新能源新型电力系统科技示范工程能量路由器60兆瓦换流器带示范区满功率运行试验顺利完成。试验过程中，换流器及其控制保护系统无任何故障和异常报文，为实现县域级高比例可再生能源电网稳定运行以及源网荷储动态平衡奠定了坚实基础。

随州广水100%新能源新型电力系统科技示范工程（简称“随州广水科技示范工程”）是国家电网有限公司新型电力系统专项四类示范工程之一。2022年11月19日，随州广水科技示范工程启动送电，为418平方千米供区内超过20万人提供了清洁能源，形成了一个开放的具有未来电网特征的实验平台和可靠的能源供应物理网络。依托公司科技项目“县域级高比例可再生能源电力系统运行关键技术研究”，国网智能电网研究院有限公司研发了大容量多端口能量路由器的技术拓扑和多端口直流控制保护技术，研制了随州广水科技示范工程核心技术装备，通过技术成果转化支撑了示范工程建设。

投用大容量能量路由器装备，保障新能源电源稳定可靠并网

近年来，随着电力电子装备的大量应用以及风电、光伏发电等新能源发电占比的不断升高，电力系统呈现“双高”特点，高比例新能源接入地区的系统稳定性和可靠性成为构建新型电力系统研究的重点之一。

据国网智研院总工程师、“县域级高比例可再生能源电力系统运行关键技术研究”项目负责人贺之渊介绍，随州广水科技示范工程在电源侧采用自同步电压源控制技术的94兆瓦风电和光伏发电机组供电，在电网侧安装了世界首台电压等级最高、容量最大的县域电网能量路由器，在储能侧分散布置了总容量为15兆瓦/30兆瓦时的储能系统，在负荷侧形成了12兆瓦分布式微电网群和双向新能源汽车站的可控负荷，在控制保护方面研制了世界首套可支持县域级全可再生能源电网高效稳定运行的源网荷储协同控制系统。国网湖北省电力有限公司作为工程牵头单位，国网智研院负责高压大容量能量路由器的方案设计和装备研制。

随州广水科技示范工程的实时协同控制系统相当于“大脑”，可在新能源发电机组出力出现盈亏时，让储能设备存储或释放能量，通过需求侧响应削峰填谷，调动高压大容量能量路由器进行潮流双向控制，实现电力电量平衡，保障供电稳定性。在这项工程中发挥重要作用的大容量能量路由器装备连接主电网与新能源供电示范区，能够灵活控制上网和下网潮流方向及能量大小，不但能实现主电网与新能源供电示范区的功率互济，还能够保证频率稳定和电压稳定，提高大容量新能源电源并网的可靠性。此外，大容量能量路由器装备具备多个双向功率端口，涵盖中压直流电网领域典型的±375伏、±20千伏等电压等级，可连接储能、新能源汽车充电桩和直流配网系统等多种元素，从而促进新能源电量就地消纳。

国网智研院于2020年成立新型电力系统新能源并网装备研发团队，历经两年时间，提出并研制了适用于县域级高比例新能源接入的大容量能量路由器装备。装备已通过型式试验验证。为了实现风电、光伏发电、储能和新能源汽车等多类型电源与负荷的协同控制，以及县域100%新能源新型电力系统的长期独立运行，在大容量能量路由器控制保护技术方面，研发团队提出了能量路由器电压源换流器（VSC换流器）交流电压主动支撑、新能源接入系统故障穿越、孤岛联网稳定切换等策略，完成VSC换流器全套控制保护策略设计，研制了国际首套110千伏/60兆瓦能量路由器VSC换流器控制保护系统。这些创新突破了新能源高比例、大规模接入县域电网后带来的系统平衡调节和安全稳定控制难题，有助于实现未来电网安全、高效、协同运行，提升新能源利用水平。

合理布局，实现能量路由器站设备紧凑化设计和无人值守

在随州广水科技示范工程能量路由器站设计和运维方面，研发团队也开展了相应创新。

一般而言，传统换流站选址偏僻，对于占地面积的要求较小，但县域级能量路由器基本位于负荷中心，对于换流站的占地面积、环境友好性提出了更高要求。为进一步减少能量路由器站的占地面积，缩短工程建设工期，研发团队在充分考虑电气绝缘间距和运行维护便利需求的基础上，完成了能量路由器站设备的紧凑化设计和无人值守运维设计。

能量路由器站直流场设备均采用集装箱预制舱安装方式，包括2个110千伏交流端口的集装箱三联预制舱、1个中低压交流和直流端口的集装箱五联预制舱；交流场开关设备采用户外新型高压开关设备（HGIS），桥臂电抗器采用层叠式布置，进一步缩小了设备体积；控制系统和辅助系统设备采用2个符合公司标准的三型集装箱预制舱，一次、二次电缆均采用地沟布置，整体布局合理，外形美观。

在无人值守运维设计上，能量路由器站所有的控制和监视设备均位于站内的控制保护舱和协调控制舱内，可就地或远程实现设备的控制和监视功能，从而实现能量路由器站投运后无人值守。能量路由器投运至今，随州供电公司调控中心可以在当地随时监测和调取能量路由器站的所有设备状态以及切换运行方式，大幅度减少了运维能量路由器站的人力、物力和财力。

多项自主化攻关技术应用，助力示范工程安全稳定运行

除了在能量路由器技术和设计建造上开展创新，国网智研院还在随州广水科技示范工程建设中围绕数字化绝缘栅双极型晶体管（IGBT）驱动芯片技术、自主化直流电压互感器技术、低成本中压直流断路器技术开展了系列创新，推动直流电容器核心零部件国产化批量应用。这些工作对支撑新型电力系统建设和促进能源高质量发展具有重要意义。

IGBT是电力电子装备的核心部件，而驱动器通过控制门极电荷调节IGBT动态特性，并承担故障检测和保护功能，相当于IGBT的“大脑”。国网智研院研究团队研发了数字化驱动器，可通过算法实现控制保护逻辑，动态调节IGBT开关特性，同时快速检测多种故障，实现分类精准保护。能量路由器换流阀中100%采用了具有自主知识产权的国产化IGBT驱动器，并且首次使用了团队自主研发的驱动器核心芯片——数字型IGBT驱动芯片，为后续国产IGBT驱动器在直流输电领域的规模化应用打下了坚实基础。

电压互感器是用于电压测量的关键设备。特高压直流、柔性直流、风机变流器等电力电子设备在电网中的广泛应用，对更宽频带、更高精度的电压测量提出了要求。研发团队在国内率先成功研制出宽频高精度电压互感器系列产品，系列产品中的±20千伏宽频电压互感器应用于随州广水科技示范工程。该装置具有测量精度高、运行可靠性好、环境适应性强等优点，广泛适用于交直流输电线路及配电网电压测量、交直流行波测距、柔性直流电网快速保护、风电并网谐振检测、电能质量监测等多种场景。

针对高压直流断路器成本高、体积大、不利于推广的问题，研发团队于2021年完成了有源振荡直流断路器原理样机开发与性能测试，2022年5月联合许继集团开发出20千伏/3毫秒/15千安有源振荡直流断路器产品，与混合式技术水平相比，制造成本降低了40%，已在随州广水科技示范工程能量路由器中应用。有源振荡直流断路器方案在电流、电压方面均具备良好扩展特性，可应用于更高电压等级、更大短路电流的中高压直流输配电工程，全面提升了直流断路器技术与经济性能。

此外，随州广水科技示范工程还实现了国产化电容器在电力系统直流输电领域中的首次批量应用。研发团队联合宁波海融、赛晶嘉善等电力电子电容器厂家，开展多项技术攻关，从电容器国产化膜的生产工艺、检验手段、试验标准以及绝缘散热性能要求等多个维度优化，大幅度提升了国产化直流电容器的产品性能和质量。