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柔性變電站是電力電子和信息技術結合的產物。它以多功能電力電子變壓器替代傳統變電站中的變壓器等一次設備，推動變電站關鍵設備由“多種設備組合”向“單一設備集成”方向發展，具有靈活組網和“一站多能”等優勢。柔性變電站可滿足分布式電源、新能源汽車、大數據中心等新興負荷大規模接入對配電網提出的直流供電、高可靠性、高質量供電等要求。
作為交直流混合配電網的樞紐，柔性變電站關鍵技術和核心裝備的突破，讓人們看到了未來配電網的模樣。
探索柔性變電站技術，推動源網荷融合發展
如今，全球能源正向清潔、低碳、電氣化方向轉型，分布式電源和儲能技術快速發展，配電網逐步轉變為有源系統。分布式電源的波動性和間歇性使配電網的潮流波動更加頻繁和劇烈，配電網變電站的電壓和潮流調節能力亟須提升。
在電網側，隨著城市現代化進程加快，城市電網電纜化率逐年提升，線路充電無功功率增大，電網高電壓、諧波干擾等電能質量問題日益突出。改變傳統的交流供電方式、探索發展直流配電網成為一種有效的技術解決途徑。在負荷側，數據中心、新能源汽車等新興電力負荷通過多級電力電子變換后接入交流配網，環節多、系統復雜、效率低下。這就需要變電站配備直流接入端口，以減少設備投資、提升用能效率，避免給電能質量帶來不利影響。
建設和發展交直流混合配電網，能夠滿足分布式發電、電網和新興負荷等各方面訴求，推動“源-網-荷”融合發展。針對這一技術發展趨勢，全球能源互聯網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。與應用傳統變電站相比，在交直流配電網中應用柔性變電站，以多功能電力電子變壓器替代傳統的變壓器、斷路器、無功補償等一次設備，可實現“一站多能”，減少設備占地面積和維護成本；使變電站具備不同電壓等級的交、直流接口，支持靈活組網和分布式能源即插即用；改變傳統變電站潮流自然分配方式，實現潮流按需分配，提高配電網的靈活性；由換流閥實現故障快速隔離和系統恢復，減少停電損失；實現系統和用戶的電能質量隔離，滿足敏感用戶的電壓暫降抑制需求，保證優質供電。
柔性變電站具有柔性自愈、靈活高效等優勢
柔性變電站技術具有技術原創、柔性自愈、靈活開放、智能高效四方面的特點。
●技術原創
柔性變電站的核心裝備——電力電子變壓器取得了5項技術突破，實現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、交直流負荷高可靠供電4種功能，功率密度是現有技術的200%，大幅降低了設備成本和占地。
●柔性自愈
柔性變電站與交直流配網工程對未來配電網發展形態進行了大膽嘗試，提出了基于柔性變電站的交直流配電網新理念，構建了成套設計的框架體系，設計了多種交直流配電網組網模式。工程發展完善了交直流配電網理論，攻克了“源-網-荷”協調優化控制和直流快速保護技術難題，實現了功率潮流的靈活調控、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，可實現多種能源、多元負荷和儲能的即插即用和靈活接入，豐富了用戶對電能供應的自主選擇權。
●智能高效
工程的技術創新推動了“源-網-荷”協調發展，為發電、電網、用戶帶來效益。先進的電網調度控制技術讓配電網更加智能，能實現“源-網-荷”間的能量互補調劑，讓光伏發電既能就地使用，又能在發電富余時保證全額上網消納并不間斷高可靠供電。領先的電子電力技術讓電力系統更加高效。
已實現工程應用，未來發展前景廣闊
柔性變電站在我國已實現工程應用。2018年8月，聯研院與國網冀北電力、南瑞集團聯合，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工程——張北柔性變電站及交直流配電網科技示范工程。工程具有科技創新、新興產業多元供電服務、清潔能源消納、服務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2.5兆瓦光伏扶貧電站，實現兆瓦級光伏發電直流升壓并網，減少了變換環節，降低了損耗，以此形成包含“源-網-荷”元素的柔性交直流配電網。
工程還為阿里巴巴集團小二臺數據中心提供了直流750伏及240伏、交流380伏等3種靈活的供電方式，提高光伏系統效率約2%，節省數據中心設備投資約1%，提升數據中心約10%的能效。截至9月30日，接入的光伏扶貧電站已累計發電704.6萬千瓦時，創造收益739.83萬元。工程已穩定運行22個月，經歷了“雙十一”和“雙十二”購物節負荷考驗；為用戶節省設備投資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。
后續，柔性變電站將在河北邯鄲應用，并被國網甘肅、天津電力和阿里巴巴列為未來數據中心供電的優選方案，對交直流配電網組網、數據中心高可靠高效供電、分布式光伏接入起到重要作用，具有廣闊的應用前景。
（作者單位：全球能源互聯網研究院有限公司）
