构网型高压直挂大容量储能并网技术解读

2024-11-15 12:54   北京  
西电电力电子公司副总经理白世军带头组建 “新型源网荷储多场景电力电子装备技术创新团队”,通过评选获评中国西电集团首届定向支持的“首届高层次科技创新人才与重大创新团队”之一。
据了解,西电电力电子团队锚定新型电力系统“源网荷储”多场景中电力电子装备技术发展需求,目前正在依托新型电力系统风光大基地/电厂储能100MW/200MWh的大型储能电站并网需求,开展以直挂式储能变流器为核心的百兆瓦储能系统研究设计;还依托东数西算数据中心高效低成本供配电需求,开展中压直供直流供电固态变压器SST的核心技术研究及工程产品的设计等。
西电电力电子团队肩负着加快新型电力系统高比例电力电子装备产业发展的责任使命,致力于融合智能化技术和电力电子技术,着力破解新能源大规模并网发展难题同时,用持续技术创新助推双碳目标实现。
以下分享来自白世军副总经理的构网型高压直挂大容量储能并网技术解读。

由于在新能源渗透率高的电力系统中,系统缺乏足够的电压支撑和转动惯量支撑,稳定性不足。当前风光发电并网技术表现为可控电流源特性,被动伴随式对电网输入功率,不具备同步机固有的电压源特性,难以有效支撑电网电压。而“双高”系统转动惯量和电压支撑不足,电网对发电与用电功率不平衡抵抗能力降级,导致电网在事故时频率崩溃概率增加。

现在已经在很多地方开始应用构网型储能变流器。但构网型储能变流器和传统储能变流器相比而言需要更大的功率,更快的控制速度。我们的储能电站一般由几十台储能变流器并网运行的,这些变流器以电网作为同步源进行恒流源特性的控制。但如果系统以构网变流器形式运行,相当于有几十个同步电压源在同步运行,控制过程中非常困难。具备较强构网能力的变流器实际是具备较强支撑能力的电压源。要在系统故障的时候去承受短路电流,并起到支撑作用。所以要具备强维持能力的电压源才能有效支撑电网。

但现有的储能变流器单机一般只做到3MW等级。常见的储能变流器基本上还是采用低压结构,比如三电平结构,一般电池堆的电压在DC1500V左右,对应变流器输出电压大概在AC690V,这时候如果把功率做到5MW以上等级,电流就非常大,额定电流会超过4000A,电流已经超过储能变流器功率元件的限额。如果还要做构网型储能变流器,对于变流器的过载要求更高,要求能短时承受3倍额定电流过载。做额定3倍过载时,系统过载能力就要求更高,对于电力电子器件的要求也更高。

电力系统的发展趋势,在做大容量系统的时候,一定是朝着提高电压等级,降低运行电流的方向发展。我们现在在储能系统里应用的级联高压技术,把原来的储能变流器交流电压等级由原来的690V扩展到10kV乃至35kV,这样单机容量就可以突破现在的功率限制,直接可以做到单机25MW、50MW甚至100MW的等级。

关于具体的方案特点,从功率器件上的选择上,我们优先选择选择成熟的IGBT模块。行业内也有选用IGCT器件作为功率变换器件,但IGCT元件电压等级已经到了4500V,电流也到了4000-5000A以上。这个等级的逆变器件,对应的直流电池堆也会做得非常大。有一些用IGCT做的超大容量储能系统设计,每一级单元电池堆的单簇电压要做到直流2000V以上,电池堆内并联多簇电芯。每电池堆容量达到几兆瓦时。相当于把很多5MWh的电池集装箱应用到每一个高压级联模块的直流侧里,然后把PCS交流侧级联起来。等于在高压级联系统中应用很多低压并联结构的电池簇,这样就没有发挥级联高压系统减少电池并联,降低直流侧环流的特性。而且单个电池堆如果做到2000V以上的电压,对于电芯的绝缘耐受能力也提出了更高的挑战。所以我们目前还是使用IGBT模块。单个电池簇的电压基本上控制在1000-1500V,如果是在功率小于25MW等级时会考虑全桥星型拓扑。用星型拓扑结构,35kV电压下单机25MW的功率,系统额定电流可以控制在400A左右,用多个IGBT模块并联方式就可以达到25~50MW的单机容量。如果做到单机百兆瓦级别,可以选择角接拓扑结构。在目前技术条件下,可以在工程上实现单机100MW/200MWh的储能单机容量。

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