随着能源转型不断推进，作为紧密连接电网侧和用户侧的配电网，将在形态、功能、结构、运行模式等方面发生巨大转变。交直流、多等级、多元用户、灵活可靠、即插即用……配电网正展现出越来越多的新特点。发展新一代变电站技术，支撑未来配电网建设，已成为配电技术领域的研究热点和竞争焦点。
今年1月，“柔性变电站关键技术、核心装备及工程应用”在国家电网有限公司第四届职工代表大会第一次会议暨2021年工作会议上获得2020年度公司科学技术进步奖一等奖。自2013年起，国网冀北电力有限公司、全球能源互联网研究院有限公司等7家单位专业人员组成的科研团队，在国际上率先提出“柔性变电站”概念，把打造未来交直流混合配电网枢纽作为奋斗目标，历经数年技术攻关，实现了柔性变电站技术从科研理念到应用实践的全面突破。
提出创新概念
推动源-网-荷融合发展
8年前，当“柔性变电站关键技术、核心装备及工程应用”项目团队着手开展相关技术研究时，电力行业对于交直流混合配电网的探索大多还停留在理论层面，尚无应用先例。这成为团队每一位成员渴望征服的技术“无人区”。
8年后的2021年，当“柔性变电站关键技术、核心装备及工程应用”获得2020年度公司科学技术进步奖一等奖后，项目团队每一位成员都为过去的付出感到欣慰与自豪。这不光是由于团队的研究成果得到了认可，更是因为项目在相关领域取得的突破，让人们清晰看到了未来配电网的模样。
近年来，在能源转型大背景下，能源发展日益倾向清洁、低碳、电气化，配电网逐步向有源系统演变，电源和负荷的波动性和间歇性都在不断加大。这对配电网变电站电压和潮流调节能力提出了更高要求。
以覆盖河北唐山、张家口、秦皇岛、承德、廊坊等地的冀北电网为例，截至2020年年底，冀北电网风电、光伏发电装机已达2831.2万千瓦，新能源装机占统调装机比例达64.5%。“拿风能、太阳能资源丰富的张家口地区来说，当地新能源消纳一方面需要依靠主网外送，一方面则需要本地消纳，这便需要将分布式电源更加友好地接入配电网。”项目团队成员、冀北电力经济技术研究院设计中心系统室副主管傅守强介绍，将新能源电源接入交流配电网，需要进行直流、交流转换，其效率必然不如直接接入直流配电网。
“新技术的研发需求，同样源于电网侧和用户侧。”傅守强解释，从电网侧来说，近年来，随着城市现代化进程的加快，城市电缆化率逐渐提升，对电能质量、功率密度以及走廊利用效率等要求更高。在用户侧，新能源汽车、数据中心等新兴直流型负荷快速增长，如果通过多级电力电子变化后接入交流配电网，则存在环节多、系统复杂、效率低下等问题。“因此，探索发展电能质量更高、输出容量更大、占地面积更小的直流配电网，成为一种有效的技术解决途径。在变电站配备直流接入端口，也将显著缩减设备投资、提升用能效率。”傅守强说。
探索建设交直流混合电网，变电站成为绕不开的重要环节。为满足分布式电源、新能源汽车等新兴直流型负荷并网等发展需要，研究团队于2016年在国际上率先提出“柔性变电站”概念，推动源-网-荷融合发展。
攻克技术难关
让电能配置更加灵活可控
“柔性变电站是以电力电子技术为核心，具有高度集成、高度灵活、高度兼容性特征的新一代变电站。”提及柔性变电站的主要特征，项目团队成员、全球能源互联网研究院电力电子研究所主任工程师刘海军介绍，柔性变电站能够对不同形式的电压和电流进行高效变换，并以灵活可控、即插即用方式接受和分配电能。
“‘柔性’主要体现在变电站的灵活调节控制。”刘海军解释说，人们既可以把柔性变电站看成一个变电站，也可以把它看成一种全新概念的设备，“既是变压器，也是换流器，还是滤波器、潮流控制器、快速开关。”柔性变电站的一大创新，在于推动了变电站关键设备由“多种设备组合”向“单一设备集成”发展。
正是这样的设备集成，使柔性变电站具备了不同电压等级的交直流接口，支持灵活组网和分布式能源电源即插即用。“如果把交流电和直流电比喻成人们日常生活中使用的冷水和热水，那么柔性变电站可以被看成是兼容冷水、热水的水龙头，而传统变电站只能单一输出‘冷水’或‘热水’。”刘海军解释。
要想使配电网中的“水龙头”既能流出“冷水”，又能流出“热水”，项目团队所付出的努力，远不像刘海军现在所讲述的那样“轻描淡写”。
“柔性变电站最核心、最基础的创新，在于首创交直流电网互联和直流并网的新型换流器主电路拓扑。”作为项目总负责人，全球能源互联网研究院电力电子研究所所长邓占锋深知项目创新的难点所在。他说，创新拓扑结构，就是研究如何把电力电子器件更加有效地连接起来，使其具有特定的功能和性能，“如果把新型换流器主电路看成是一座大厦，电力电子器件便是搭建大厦的砖头。大厦能否盖好，关键得看结构设计”。
一代拓扑决定一代装置，一代装置决定一代系统。经过成百上千次的研究试验，研究团队最终提出了三相波动功率自平衡的多端口换流器主电路拓扑结构。基于这样的拓扑结构，换流器具备了高低压、交直流4个对外端口，实现了端口间功率、潮流的灵活控制。“得益于结构的创新，换流器器件数量随之减少，功率密度提升70%左右。”邓占锋说。
技术攻关取得突破，落地应用还需要成套设计方案，但项目团队却无经验可循。
2016年，公司决定在张北县建设柔性变电站及交直流配电网示范工程。国网冀北电力高度重视，组织产学研攻关团队通力合作，编制建设方案，开展技术攻关。为了确定示范工程的成套方案，傅守强和同事们忙了一整年，结合新能源发电、用户用电典型场景，设计出5套不同的方案，并针对每套方案提出了拓扑结构，评估了造价，完成了初步设计。他们通过反复比较，创新了基于柔性变电站的交直流混合配电网系统集成和工程应用技术，还在研究过程中提炼出工作内容、理论方法，为后续类似工程的成套设计提供经验指导。
在团队成员持续的联合攻关下，项目团队共获授权专利44项（其中发明专利16项），发表SCI/EI收录论文24篇，制订标准3项，出版专著1部。
梦想照进现实
交直流混合配电网发展前景广阔
2018年8月2日，研究团队数年的努力和付出终于结出硕果。在这一天，世界首个柔性变电站及交直流配电网示范工程在张北县正式投入运行。
这一示范工程建有10千伏光伏直流升压站1座、10千伏柔性变电站1座。其中，10千伏柔性变电站的核心设备——电力电子变压器具有4个交直流端口，在错综复杂的配电网中起到了枢纽性作用。
这样的枢纽，使用电客户能够自如地在交直流供电之间切换。“直流电对于数据中心类的用电客户而言，效率更高。柔性变电站能够帮助客户在新能源发电高峰期用上直流电，以降低能耗；同时能在新能源发电低谷期灵活切换为普通交流供电，以保障客户正常生产。这无疑是一种更加灵活高效的电能分配方式。”刘海军介绍。
作为集技术创新、新兴产业多元供电服务、清洁能源消纳于一体的示范工程，柔性变电站及交直流配电网示范工程为应对配电网电源清洁化、多元化，网络电力电子化、信息化，以及用户特性复杂化、互动化的发展形势，提出了重要的解决方案。“简而言之，基于柔性变电站的交直流配电网可以在减少转换过程、缩小设备体积、降低能耗折损的同时，保证客户可靠用电。”邓占锋说。
这样的尝试还在继续。就在张北县东南部不远的张家口市崇礼区，10千伏多能互补智能电网综合示范工程正在紧张有序地建设。该工程新建多能互补微电网示范变电站1座、“发充储放”一体充电站1座。微电网网架可实现配电网、可再生能源、储能等之间无缝切换，提高能源利用率。
这项工程计划于今年建成投运。作为微电网的核心装置，基于柔性变电站技术的能源路由器可显著提高工程的供电可靠性和灵活性，助力北京2022年冬奥会实现100%清洁能源供电。
“交直流混合配电网是电网未来发展的重要方向，我们对柔性变电站技术的应用充满信心。”傅守强说，目前，诸如数据中心一类的新兴直流负荷，正在成为柔性变电站技术的主要应用对象，“未来，随着技术的逐步成熟，柔性变电站本身的成本将进一步降低，届时也将拓展更多的应用场景。”
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