多能互补功率变换与优化关键技术及核心装备

需求背景

多能互补发展是电力行业坚持系统观念的内在要求，是提升可再生能源开发消纳水平和非化石能源消费比重的必然选择。随着可再生能源渗透率逐渐提高、用能需求呈现多元化特性、能源供给形式愈加丰富、供能网络耦合需求愈加迫切，极大增加了多能互补系统的复杂性和管控难度，相关技术亟待突破。

需解决的主要技术难题

1.多能互补系统耦合机理复杂，多能源设备具有变工况动态特性，现有方法技术大多基于稳态模型对理想工况下的设备选型进行优化，限制了配置方案的适应性，难以实现全工况、多目标下的优化配置。

2.多能源惯量特征不一，异质能流输运特性、时间尺度、能量品质差异较大，协同响应动态特性复杂，导致控制时序配合困难、精细化控制程度不高、多过程交互耦合强度大等问题。

3.多能流转换与存储原理差异大，能源装备接口特性不一，现有系统采用单一能流装备进行简单组合，难以实现多能流间的综合协调，对电网动态支撑能力弱，无法实现能源综合利用率最大化和与电网的友好互动。

期望实现的主要技术目标

1.面向全工况多目标的多能互补系统协同优化配置：首先，计及外部环境、负载状态等约束，构建考虑源荷强不确定性的多能设备全工况动态模型，阐明多能互补系统多过程耦合机理；其次，考虑能源网络潜能，兼顾经济成本、能源利用率、碳排放及能效等多维目标，提出了横向多能互补、纵向梯级利用的鲁棒优化配置方法；最后，聚合数据库、设备模型库、优化配置、综合评价等模块，开发考虑多能流要素的装备设计与配置平台。

2.考虑惯量特征与复杂延时特性的多能转换精准控制：首先，分析多能流传输、存储及分配的惯量特征和延时特性，建立多能源互补替代的高效可行路径；其次，建立不同类型能源转换装备的暂稳态特性模型，量化多类能源转换装备的响应速度和时间尺度；最后，利用过程状态辨识和扩张状态预估技术，创新了基于自适应前馈控制的多能交互耦合补偿策略，并提出Smith预估补偿和时滞鲁棒协同控制方法，实现多时间尺度能量间精细化控制。

3.研制多能互补集成功率变换装备：首先，基于谐振软开关、开关器件复用、磁性器件集成等技术，提出了隔离与非隔离结合的交、直流电力电子变换器系列拓扑及优化方法；其次，研发能够适应多类能源特性的高效率多能互补系统核心电能变换器系列装备；最后，基于多能优化配置方法与多能转换精准控制技术，以电能变换器为核心联结其他能流转换设备，提出装备运行模式及功能设计方法，实现装备集成与多能流深度耦合。

4.基于集成功率变换设备的多元异质能源的统一调控和成本合理分配：首先，基于集成功率变换设备，构建了适应多能流异构特性、多主体分配的运行调控模型，实现综合能源系统安全高效运行下的成本合理分配；其次，兼顾安全、可靠、高效、经济等多维多场景优化目标，提出代理模型辅助评价增强的多能流系统高维运行调控模型加速求解策略；最后，构建多能流调控体系，研发多能流智慧管理系统。