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柔性變電站是電力電子和信息技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。它以多功能電力電子變壓器替代傳統(tǒng)變電站中的變壓器等一次設(shè)備，推動變電站關(guān)鍵設(shè)備由“多種設(shè)備組合”向“單一設(shè)備集成”方向發(fā)展，具有靈活組網(wǎng)和“一站多能”等優(yōu)勢。柔性變電站可滿足分布式電源、新能源汽車、大數(shù)據(jù)中心等新興負(fù)荷大規(guī)模接入對配電網(wǎng)提出的直流供電、高可靠性、高質(zhì)量供電等要求。
作為交直流混合配電網(wǎng)的樞紐，柔性變電站關(guān)鍵技術(shù)和核心裝備的突破，讓人們看到了未來配電網(wǎng)的模樣。
如今，全球能源正向清潔、低碳、電氣化方向轉(zhuǎn)型，分布式電源和儲能技術(shù)快速發(fā)展，配電網(wǎng)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橛性聪到y(tǒng)。分布式電源的波動性和間歇性使配電網(wǎng)的潮流波動更加頻繁和劇烈，配電網(wǎng)變電站的電壓和潮流調(diào)節(jié)能力亟須提升。
在電網(wǎng)側(cè)，隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程加快，城市電網(wǎng)電纜化率逐年提升，線路充電無功功率增大，電網(wǎng)高電壓、諧波干擾等電能質(zhì)量問題日益突出。改變傳統(tǒng)的交流供電方式、探索發(fā)展直流配電網(wǎng)成為一種有效的技術(shù)解決途徑。在負(fù)荷側(cè)，數(shù)據(jù)中心、新能源汽車等新興電力負(fù)荷通過多級電力電子變換后接入交流配網(wǎng)，環(huán)節(jié)多、系統(tǒng)復(fù)雜、效率低下。這就需要變電站配備直流接入端口，以減少設(shè)備投資、提升用能效率，避免給電能質(zhì)量帶來不利影響。
建設(shè)和發(fā)展交直流混合配電網(wǎng)，能夠滿足分布式發(fā)電、電網(wǎng)和新興負(fù)荷等各方面訴求，推動“源-網(wǎng)-荷”融合發(fā)展。針對這一技術(shù)發(fā)展趨勢，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司率先提出了“柔性變電站”的概念。
柔性變電站是以電力電子技術(shù)為核心，具備高度集成、高度靈活、高度兼容性特征的新一代變電站。與應(yīng)用傳統(tǒng)變電站相比，在交直流配電網(wǎng)中應(yīng)用柔性變電站，以多功能電力電子變壓器替代傳統(tǒng)的變壓器、斷路器、無功補償?shù)纫淮卧O(shè)備，可實現(xiàn)“一站多能”，減少設(shè)備占地面積和維護(hù)成本；使變電站具備不同電壓等級的交、直流接口，支持靈活組網(wǎng)和分布式能源即插即用；改變傳統(tǒng)變電站潮流自然分配方式，實現(xiàn)潮流按需分配，提高配電網(wǎng)的靈活性；由換流閥實現(xiàn)故障快速隔離和系統(tǒng)恢復(fù)，減少停電損失；實現(xiàn)系統(tǒng)和用戶的電能質(zhì)量隔離，滿足敏感用戶的電壓暫降抑制需求，保證優(yōu)質(zhì)供電。
柔性變電站技術(shù)具有技術(shù)原創(chuàng)、柔性自愈、靈活開放、智能高效四方面的特點。
●技術(shù)原創(chuàng)
柔性變電站的核心裝備――電力電子變壓器取得了5項技術(shù)突破，實現(xiàn)多端口一體化變壓變換、直流故障隔離、端口間能量雙向互濟(jì)、交直流負(fù)荷高可靠供電4種功能，功率密度是現(xiàn)有技術(shù)的200%，大幅降低了設(shè)備成本和占地。
●柔性自愈
柔性變電站與交直流配網(wǎng)工程對未來配電網(wǎng)發(fā)展形態(tài)進(jìn)行了大膽嘗試，提出了基于柔性變電站的交直流配電網(wǎng)新理念，構(gòu)建了成套設(shè)計的框架體系，設(shè)計了多種交直流配電網(wǎng)組網(wǎng)模式。工程發(fā)展完善了交直流配電網(wǎng)理論，攻克了“源-網(wǎng)-荷”協(xié)調(diào)優(yōu)化控制和直流快速保護(hù)技術(shù)難題，實現(xiàn)了功率潮流的靈活調(diào)控、故障限流與自愈。
●靈活開放
電力電子變壓器具有多個交直流端口，低壓側(cè)能同時提供直流750伏（含240伏）、交流380伏等3種靈活的供電方式，可實現(xiàn)多種能源、多元負(fù)荷和儲能的即插即用和靈活接入，豐富了用戶對電能供應(yīng)的自主選擇權(quán)。
●智能高效
工程的技術(shù)創(chuàng)新推動了“源-網(wǎng)-荷”協(xié)調(diào)發(fā)展，為發(fā)電、電網(wǎng)、用戶帶來效益。先進(jìn)的電網(wǎng)調(diào)度控制技術(shù)讓配電網(wǎng)更加智能，能實現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷”間的能量互補調(diào)劑，讓光伏發(fā)電既能就地使用，又能在發(fā)電富余時保證全額上網(wǎng)消納并不間斷高可靠供電。領(lǐng)先的電子電力技術(shù)讓電力系統(tǒng)更加高效。
柔性變電站在我國已實現(xiàn)工程應(yīng)用。2018年8月，聯(lián)研院與國網(wǎng)冀北電力、南瑞集團(tuán)聯(lián)合，建成世界首個全可控電力電子柔性變電站及交直流混合配電網(wǎng)工程――張北柔性變電站及交直流配電網(wǎng)科技示范工程。工程具有科技創(chuàng)新、新興產(chǎn)業(yè)多元供電服務(wù)、清潔能源消納、服務(wù)光伏扶貧等四大亮點。
工程建有10千伏柔性變電站一座，其核心的5兆瓦多功能電力電子變壓器包含10千伏、380伏兩個交流端口和±10千伏、750伏兩個直流端口；建有10千伏光伏直流升壓站一座，接入張北縣德勝村億利集團(tuán)2.5兆瓦光伏扶貧電站，實現(xiàn)兆瓦級光伏發(fā)電直流升壓并網(wǎng)，減少了變換環(huán)節(jié)，降低了損耗，以此形成包含“源-網(wǎng)-荷”元素的柔性交直流配電網(wǎng)。
工程還為阿里巴巴集團(tuán)小二臺數(shù)據(jù)中心提供了直流750伏及240伏、交流380伏等3種靈活的供電方式，提高光伏系統(tǒng)效率約2%，節(jié)省數(shù)據(jù)中心設(shè)備投資約1%，提升數(shù)據(jù)中心約10%的能效。截至9月30日，接入的光伏扶貧電站已累計發(fā)電704.6萬千瓦時，創(chuàng)造收益739.83萬元。工程已穩(wěn)定運行22個月，經(jīng)歷了“雙十一”和“雙十二”購物節(jié)負(fù)荷考驗；為用戶節(jié)省設(shè)備投資700萬元，用戶能效提升10%；成功避免了4次相鄰線路故障對用戶的影響。
聯(lián)研院將繼續(xù)與國網(wǎng)冀北、河北電力合作，共同推進(jìn)柔性變電站應(yīng)用。今年年底，基于柔性變電站的張家口崇禮區(qū)多能互補微電網(wǎng)示范工程計劃建成投運。該工程以柔性變電站設(shè)備為核心，涵蓋風(fēng)、光、儲、新能源汽車多能源形式，將實現(xiàn)100%清潔能源供應(yīng)和重要負(fù)荷高可靠供電，有效解決崇禮低碳奧運專區(qū)的供電難題，服務(wù)“綠色奧運”“低碳奧運”。
后續(xù)，柔性變電站將在河北邯鄲應(yīng)用，并被國網(wǎng)甘肅、天津電力和阿里巴巴列為未來數(shù)據(jù)中心供電的優(yōu)選方案，對交直流配電網(wǎng)組網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心高可靠高效供電、分布式光伏接入起到重要作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。
