0  引言

    伴隨著電力電子技術的快速發展，柔性直流技術在更多的領域得到應用。近些年，直流配電網成為研究熱點，與傳統交流配電網相比具有多個優勢：省略DC/AC逆變環節、減少耗能；提升配網的輸電距離和輸送容量，可控電能質量；方便設置儲能裝置，供電可靠性高；易于新能源的接入等。基于柔性交直流配電網的示范工程，變電站的電氣設計是整個工程的重要組成部分，為了系統方案得以實現、設備技術得到合理應用，需要開展相關研究^[1-4]。

    目前，直流配電網受到廣泛關注，系統拓撲和運行控制策略等技術問題得到充分研究。在我國，深圳寶龍工業城直流配網示范工程、江蘇蘇州主動配電網綜合示范工程實施建設，代表著相關技術由研究轉向實踐^[5-8]。以上工程有著不同的系統拓撲，但主要利用了直流配電網在輸電方面的優勢，變電站（換流站）的設計研究著力較少。基于新研制的多功能交直流電力電子變壓器（以下簡稱“柔性變壓器”），使得變電站處于能量轉換、調控的核心位置，需要深化變電站設計研究。

    本文依托張北交直流配電網及柔性變電站示范工程，對工程核心的柔性變電站開展設計研究。為了實現新的“源-網-荷”組網模式，并保證核心設備柔性變壓器得以充分利用，柔性變電站電氣主接線是首要研究內容；作為工程實施的另一核心，合理的電氣總平面布置至關重要。示范工程中大量應用新研制的直流設備，本文對相關設備進行收資調研，并確定了主要設備選型原則。經過上述設計研究，可以較為完整地展現柔性變電站的特點，為工程的順利開展提供保障。

1  工程概況

    張北交直流配電網及柔性變電站示范工程位于張家口市張北縣，主體工程包括位于小二臺鎮的柔性變電站、光伏發電集中并網的光伏直流升壓站以及聯絡兩站的±10kV直流輸電線路，工程概況如圖1所示。

    示范工程的核心是四端口柔性變壓器，位于小二臺柔性變電站中。變壓器將聯絡交流10 kV、直流±10 kV、直流±375 V、交流380 V四個電壓等級，對能量進行變換和調控。

    小二臺柔性變電站與阿里巴巴張北創新研發展示中心合建于同一建筑中，展示中心的服務器作為工程主要負荷，可以接受交流供電或直流供電。變電站外部接口如下：交流10 kV側與云計算110 kV變電站相連，云計算為交流電源；直流±10 kV側與光伏升壓站相連，集中式的光伏發電作為直流電源；直流±375 V和交流380 V為服務器負荷供電。在遠期規劃中，直流±375 V可接入分布式光伏、電動汽車充電樁等電源和負荷。

    柔性變電站的電氣聯系較為復雜，同時受限于合建場地，所以，需要對電氣主接線和電氣平面布置設計開展深入研究。

2  電氣主接線

    柔性變電站配置柔性變壓器和1臺干式變壓器（容量2.5 MVA），共四個電壓等級，電氣主接線如圖2所示。

    變電站交流高壓側（10 kV側）采用單母線分段接線，共有4回出線和2回主變進線。在每段母線上，布置1回出線連接云計算站，另1回出線連接展示中心內的柴油發電機，應急使用。2回主變進線為柔性變壓器和干式變壓器，分列運行，單臺容量可供展示中心內所有服務器負荷。

    直流高壓側（±10 kV側）采用單母線接線，本期1回出線，對端是光伏直流升壓站。主要設備選用快速隔離開關柜，正極和負極獨立配置。

    直流低壓側（±375 V側）采用單母線接線，總進線為柔性變壓器，可以提供多路直流饋線。直流母線極間配置超級電容，可作短時間的能量供應和電壓支撐。

    交流低壓側（380 V側）為帶聯絡開關的兩條單母線接線。因服務器可實現兩路電源同時輸入，一條低壓母線停電時仍然可以為全部重要負荷供電，聯絡開關通常為打開狀態。

    通過電氣主接線的設計，實現了與外部接口的協調，有效發揮柔性變壓器的功能，同時滿足服務器負荷高可靠性的要求。

3  電氣總平面布置

    小二臺柔性變電站位于阿里巴巴張北創新研發展示中心內，占用生產用房的一部分，面積約570平方米。變電站設備多，面積有效，經過不斷優化，電氣總平面布置如圖3所示。

    因本站空間較小，考慮到廠房層高較大，設置了局部二層，主要用于擺放二次設備和監控工作臺。在變電站一層，主要有配電裝置室、柔變閥廳、電抗器室、水冷系統室、資料室等房間。四個電壓等級的斷路器和隔離開關設備均為開關柜型式，布置于配電裝置室；作為柔性變壓器主要組成部分的閥塔與儲能設備布置于閥廳內，同時為閥體配置氣體滅火裝置；橋臂電抗器上下疊放，位于電抗器室；水冷控制室放置水冷泵，連同室外的風機構成閥塔的冷卻系統。作為示范工程，為配合參觀展示的需求，在一層隔離出獨立的資料室，并在入口處的大廳留出較多空間。

    上述電氣平面布置方案有效利用了空間，功能分區清晰、聯系合理，可以滿足運維人員的工作習慣，同時為站內示范展示創造了有利條件。

4  主要設備選型

    除柔性變壓器外，±10 kV直流開關設備和儲能裝置在變電站中均屬首次應用，以下對這兩種主要設備的選型進行分析。

4.1  直流快速隔離開關

    基于全可控的IGBT器件，柔性變壓器具備故障電流關斷能力。因此，±10kV線路的開合控制可由柔性變壓器完成，從而省去直流斷路器，大大降低工程造價。

    變電站內配置直流快速隔離開關柜，采用接近交流開關柜的結構，核心為動作時間極短的隔離開關。主要設備參數見表1。

    從直流快速隔離開關的參數分析，設備可以滿足正常運行、過電壓、短路情況下的要求。隔離開關的額定分斷時間非常小，在10 ms以內，可以配合柔性變壓器進行直流故障隔離，具體操作如下：檢測直流故障，柔性變壓器閉鎖，快速隔離開關打開，柔性變壓器解除閉鎖，恢復運行。

4.2  超級電容

    在切除或投入±10 kV直流線路時需要柔性變壓器閉鎖，將引起低壓側停電。配合直流快速隔離開關的動作，整個過程時間很短，在100ms以內。為了實現短時間內能量轉供，在柔性變壓器直流低壓側配置一套超級電容，主要參數如表2所示。

    超級電容儲能裝置配置3面DC/DC變流器柜和3面超級電容柜，可以滿足低壓側2.5 MW的功率需求。在按照正常運行模式下，柔性變壓器供電負荷為1.25 MW，恒功率放電時間可達13 s，能夠實現柔性變壓器閉鎖時的能量轉供。

5  結論

    基于張北交直流配電網示范工程以及四端口的柔性變壓器，本文開展了柔性變電站設計研究。結合主要設備特點和外部接口條件，完成電氣主接線設計，達成源-網-荷的合理聯系，同時具有極高的供電可靠性；在設備復雜、空間受限的條件下，完成電氣總平面設計，滿足運維要求和展示需求。最后，對直流快速隔離開關和超級電容等設備進行收資選型，配合柔性變壓器可實現±10kV線路的切合控制，節省了直流斷路器的投資。本文的設計研究成果可以為工程實施提供參考。

參考文獻

[1] 王一振，趙彪，袁志昌，等．柔性直流技術在能源互聯網中的應用探討[J]．中國電機工程學報，2015，35(14)：3551-3660．

[2] 宋璇坤，韓柳，鞠黃培，等．中國智能電網技術發展實踐綜述[J]．電力建設，2016，37(7)：1-11．

[3] 江道灼，鄭歡．直流配電網研究現狀與展望[J]．電力系統自動化，2012，36(8)：98-104．

[4] 張金偉，楊朝翔，許穎，等．柔性直流變電站暖通系統設計[J]．電網與清潔能源，2017，33(S)：181-182．

[5] 韓永霞，何秋萍，趙明宇，等．采用柔性直流技術的智能配電網接入交流電網方式[J]．電力系統自動化，2016，40(13)：141-146．

[6] 劉國偉，趙宇明，袁志昌，等．深圳柔性直流配電示范工程技術方案研究[J]．南方電網技術，2016，10(4)：1-7．

[7] 葛樂，陸文濤，袁曉冬，等．基于多為動態規劃的柔性光儲參與主動配電網優化運行[J]．電網技術，2017，41(10)：3300-3306．

[8] 凌俊斌．主動配電網技術研究[J]．通信電源技術，2016，33(6)：219-222．

作者信息:

楊朝翔

（國網冀北電力有限公司經濟技術研究院，北京 100038）