在我們的生活里，處處都離不開電的使用，不管是日常使用的日光燈，節(jié)能燈還是電視機，機頂盒以及現(xiàn)在的電動汽車，它們所用到的都是直流電，而從發(fā)電場出來的幾乎都是交流電，要想把交流變成直流，就離不開變電站。

張北柔性變電站范式工程示意圖

柔性變電站可實現(xiàn)清潔能源高品質(zhì)消納、柔性接入和靈活調(diào)配。

同樣，大量的變頻電器走入普通百姓生活中，如變頻冰箱、變頻空調(diào)、變頻洗衣機，為了達(dá)到變頻低功耗，其內(nèi)部的實質(zhì)就是交/直/交的變換過程。如果采用直流配電網(wǎng)，則可直接實現(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)換，減少中間環(huán)節(jié)意味著減少能量損失。

伴隨分布式電源發(fā)電、儲能、電力電子等技術(shù)進(jìn)步，配電網(wǎng)中用戶側(cè)分布式可再生發(fā)電容量占比將不斷提高，分布式儲能、直流負(fù)荷供電需求日益顯現(xiàn)，配電網(wǎng)中潮流在電網(wǎng)與用戶、高壓配電網(wǎng)與中壓配電網(wǎng)、中壓配電網(wǎng)與低壓配電網(wǎng)之間雙向互動的需求愈來愈多。直流配電具有功率雙向靈活可控、隔離故障、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，公用配電網(wǎng)向交直流混合供電物理形態(tài)演進(jìn)或?qū)⒊蔀槲磥砼潆娋W(wǎng)的發(fā)展方向。

智能化變電站是數(shù)字化變電站的升級和發(fā)展。在數(shù)字化變電站的基礎(chǔ)上，結(jié)合智能電網(wǎng)的需求，對變電站自動化技術(shù)進(jìn)行充實以實現(xiàn)變電站智能化功能。智能化變電站具有以下功能特征：

1、緊密連接全網(wǎng)。

2、支撐智能電網(wǎng)。

3、高電壓等級的智能化變電站滿足特高壓輸電網(wǎng)架的要求。

4、中低壓智能化變電站允許分布式電源的接入。

5、遠(yuǎn)程可視化。

6、裝備與設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，模塊化安裝。

理論

同時空轉(zhuǎn)化交直流電

柔性變電站是電力電子技術(shù)與變電站技術(shù)的結(jié)合，以一次設(shè)備電力電子化為特征，簡化變電站設(shè)備種類及數(shù)量。柔性變電站在電網(wǎng)中不僅是能量傳輸節(jié)點，而且還是電網(wǎng)調(diào)控節(jié)點與負(fù)荷調(diào)控節(jié)點，旨在提高電網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)、增強潮流的精確靈活控制，可實現(xiàn)電網(wǎng)有功、無功、電壓等的平滑調(diào)控，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平和高效運行等功能。柔性變電站應(yīng)用于配電網(wǎng)，可提高源—網(wǎng)—荷互動能力，實現(xiàn)分布式電源及多元化交直流負(fù)荷的友好、有效接納及協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)故障的快速隔離，提高用戶供電電能質(zhì)量等功能。

相比較常規(guī)變電站，柔性變電站在系統(tǒng)柔性控制、多信息流交互、提升電能質(zhì)量、快速切除故障、提高運維效率、靈活接入環(huán)境等方面優(yōu)勢突出，而在節(jié)省建設(shè)費用、節(jié)約用地等方面目前尚存在不足，有待于日后進(jìn)一步提升。

柔性變電站內(nèi)電力電子變流器的應(yīng)用集成了變壓、開斷、無功補償?shù)裙δ?，可省去原主變高低壓出線斷路器，以及站內(nèi)低壓無功補償裝置等設(shè)備，簡化了電氣主接線及電氣設(shè)備平面布置。柔性變電站基于電源與負(fù)荷的實時功率情況，綜合協(xié)調(diào)電網(wǎng)、分布式電源及可控負(fù)荷，實現(xiàn)潮流的多向按需分配，優(yōu)化潮流路徑，實現(xiàn)多能互補及運行的經(jīng)濟性。柔性變電站增強了原有變電站的管控功能，通過與出線側(cè)分布式電源、可控可調(diào)負(fù)載、上一級電網(wǎng)的信息交互，從控制與管理的角度，有效組織出線側(cè)的電力資源，保證區(qū)域范圍內(nèi)的電力供需平衡。電力電子設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)100%隔離高低壓側(cè)的諧波相關(guān)交叉?zhèn)鬟f，同時有效抑制電壓暫降，控制暫降時間，提升電網(wǎng)電壓合格率水平。普通交流斷路器開斷時間約為十幾毫秒至幾十毫秒，電力電子變流器及固態(tài)開關(guān)極大縮短了故障切除時間，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性，保護了重要用電設(shè)備。

柔性變電站采用模塊化設(shè)計方法，每個模塊可在其他模塊正常工作時獨立檢修，避免了現(xiàn)有變電站設(shè)備故障時需整體停運檢修的問題，提高了供電能力及運維效率。柔性變電站適應(yīng)了多種分布式電源及大規(guī)模直流負(fù)荷的發(fā)展，除普通交流出線外還為其提供了直流接口，可靈活接入電動汽車等各類交直流負(fù)荷、分布式儲能及分布式電源。

實踐

支撐電網(wǎng)靈活穩(wěn)定運行

交直流配電網(wǎng)及柔性變電站示范工程是國家電網(wǎng)公司“十三五”期間打造的重點示范工程之一，是張家口可再生能源示范區(qū)及國家電網(wǎng)公司全球能源互聯(lián)網(wǎng)示范區(qū)的重要組成部分。公司計劃建設(shè)世界首個全可控電力電子柔性變電站及具有柔性控制的交直流混合配電網(wǎng)。交直流混合配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活、高度可控，傳輸效率高，電能質(zhì)量好，可簡化分布式電源接入方式，高效兼容分布式風(fēng)電、光伏的直流電源并網(wǎng)，支持儲能、直流負(fù)荷的接入。柔性變電站主要實現(xiàn)10千伏電壓等級供電，能實現(xiàn)低壓交直流混合輸出，可靈活接入分布式電源發(fā)電、分散式儲能裝置及交直流負(fù)載，實現(xiàn)清潔能源的高品質(zhì)消納、柔性接入和靈活調(diào)配，提高區(qū)域能源“源—網(wǎng)—荷”協(xié)調(diào)互動水平，支撐未來電網(wǎng)運行方式的靈活性及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

預(yù)計2018年工程建成后，將為未來配電網(wǎng)的發(fā)展起到示范作用。工程將首次實現(xiàn)智能電網(wǎng)與云計算產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，將首次實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心高可靠性要求，負(fù)荷由直流電網(wǎng)直接供電。建設(shè)世界首個全可控電力電子柔性變電站交直流配電網(wǎng)及柔性變電站示范工程，能支撐未來配電網(wǎng)運行方式的靈活性及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。示范工程計劃建成兩端式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流配電網(wǎng)，結(jié)合柔性變電站實現(xiàn)潮流調(diào)節(jié)的能力，發(fā)揮了直流電網(wǎng)輸送距離遠(yuǎn)、輸送容量大、傳輸損耗小的優(yōu)越性能。對交直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)構(gòu)建，運行控制及保護配置等給出了解決方案，探索了未來配電網(wǎng)的形態(tài)。示范工程可實現(xiàn)光伏電站直流送出，實現(xiàn)集中式光伏電站兆瓦級容量不經(jīng)過DC/AC逆變環(huán)節(jié)，直接升壓接入直流配電網(wǎng)，省去了光伏電站接入系統(tǒng)的逆變環(huán)節(jié)，是消納新能源發(fā)電、尤其是光伏發(fā)電的有益嘗試。

柔性變電站以一次設(shè)備電力電子化為主要特征，具備中/低壓、交/直流多端接口，集潮流柔性管控、多形態(tài)能源接入、故障限流、故障隔離等多種功能。柔性變電站不再僅僅是能量傳輸節(jié)點，而且是電網(wǎng)潮流與狀態(tài)參數(shù)調(diào)控節(jié)點，同時還是負(fù)荷調(diào)控節(jié)點，可以實現(xiàn)電網(wǎng)注入功率、線路潮流、母線電壓等變量和參數(shù)的靈活快速調(diào)節(jié)以及“源—網(wǎng)—荷”的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)短路故障快速隔離，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定與經(jīng)濟運行提供強大的技術(shù)支撐。隨著新能源滲透率逐漸增強和多元化負(fù)荷的大規(guī)模接入，高壓、高頻、大容量、低損耗SiC功率器件的逐步發(fā)展、成熟，柔性變電站的效率將得到進(jìn)一步提升、體積將大幅下降，可以實現(xiàn)柔性變電站的高效運行和集約化建設(shè)。未來柔性變電站將在配電網(wǎng)中得到更廣泛的推廣，而且將在更高電壓等級的輸電網(wǎng)中實現(xiàn)應(yīng)用，有力支撐智能電網(wǎng)和全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。