0  引言

    伴隨著電力電子技術的快速發(fā)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(wǎng)成為研究熱點，與傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)相比具有多個優(yōu)勢：省略DC/AC逆變環(huán)節(jié)、減少耗能；提升配網(wǎng)的輸電距離和輸送容量，可控電能質(zhì)量；方便設置儲能裝置，供電可靠性高；易于新能源的接入等?；谌嵝越恢绷髋潆娋W(wǎng)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(tǒng)方案得以實現(xiàn)、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(wǎng)受到廣泛關注，系統(tǒng)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(yè)城直流配網(wǎng)示范工程、江蘇蘇州主動配電網(wǎng)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(tǒng)拓撲，但主要利用了直流配電網(wǎng)在輸電方面的優(yōu)勢，變電站（換流站）的設計研究著力較少?；谛卵兄频亩喙δ芙恢绷麟娏﹄娮幼儔浩鳎ㄒ韵潞喎Q“柔性變壓器”），使得變電站處于能量轉換、調(diào)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(wǎng)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(xiàn)新的“源-網(wǎng)-荷”組網(wǎng)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(nèi)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(diào)研，并確定了主要設備選型原則。經(jīng)過上述設計研究，可以較為完整地展現(xiàn)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(wǎng)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(zhèn)的柔性變電站、光伏發(fā)電集中并網(wǎng)的光伏直流升壓站以及聯(lián)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(lián)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(diào)控。

    小二臺柔性變電站與阿里巴巴張北創(chuàng)新研發(fā)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(fā)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(guī)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(lián)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(nèi)的柴油發(fā)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(nèi)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(lián)絡開關的兩條單母線接線。因服務器可實現(xiàn)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(lián)絡開關通常為打開狀態(tài)。

    通過電氣主接線的設計，實現(xiàn)了與外部接口的協(xié)調(diào)，有效發(fā)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(chuàng)新研發(fā)展示中心內(nèi)，占用生產(chǎn)用房的一部分，面積約570平方米。變電站設備多，面積有效，經(jīng)過不斷優(yōu)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(jiān)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(tǒng)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(nèi)，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(tǒng)。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(qū)清晰、聯(lián)系合理，可以滿足運維人員的工作習慣，同時為站內(nèi)示范展示創(chuàng)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(nèi)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(shù)見表1。

    從直流快速隔離開關的參數(shù)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(nèi)，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(nèi)。為了實現(xiàn)短時間內(nèi)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(shù)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(xiàn)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(wǎng)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(wǎng)-荷的合理聯(lián)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(xiàn)±10kV線路的切合控制，節(jié)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。

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作者信息:

楊朝翔

（國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，北京 100038）