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摘要：柔性变电站是电力电子技术与变电站技术的结合，以一次设备电力电子化为特征，简化变电站设备种类及数量，旨在提高电网状态参数及潮流的精确灵活控制，可实现电网有功、无功、电压等平滑调控，提升电网安全、稳定、高效运行水平等。基于柔性变电站的交直流配电网技术可提高“源网荷”互动能力，实现新能源电源及多元化交直流负荷的友好接纳及协调控制，实现故障的快速隔离，提高用户电能质量。这一技术为配电网面临的主要矛盾做出了积极响应并提供了参考方案。最后，以张北交直流配电网及柔性变电站示范工程为实例，设计世界首个基于全可控柔性变电站的交直流配电网系统方案，并开展电气计算、制定自动化系统及控制保护方案，为交直流配电网发展提供示范。
关键词：交直流配电网；柔性变电站；仿真研究
1 交直流配电网技术现状
1.1国内外技术研究与实践
国外交直流配电网研究开展较早。荷兰能源研究中心（ECN）早在 1997 年对住宅中采用直流供电技术就提出了系统的实施方案。日本大阪大学在2006 年提出双极直流配电网结构。罗马尼亚在 2007年提出采用双电源交替供电的系统。考虑不同负荷，美国弗吉尼亚大学 2010 年提出交直流配电分层连接的混合配电系统。我国交直流配电网研究起步较晚，但近年来已成为研究热点之一。图 1 列举了国内几个典型的交直流配电网系统设想或工程实践方案。图（a）为某配电网轻型直流输电示范工程，工程建设了一条± 10 kV轻型直流输电线路，采用了三相桥级联拓扑。图（b）为某柔性直流配网系统，采用双电源“手拉手”式的网络拓扑，使用电压源换流器从 2 个变电站的 10 kV 母线侧吸收功率。
图一
1. 2 现有方案分析
整体分析以上方案的结构，做统一简化，可等效为图 2 所示模型。这一模型有如下特点：（1）方案套用了输电网的思路，采用了近似于输电网两端柔性直流工程的拓扑结构。负荷容量与设备容量比值较低，设备利用率低。（2）方案无一例外地采用了分散式电力电子设备组网，设备多，占地面积较大。联结变压器及直流断路器增加投资和占地；需要分别配置控制和保护装置；分立设备间的通信也要占用通信资源。（3）方案侧重发挥直流电网便于控制、输送能力强的优势，电压等级的兼容性有限，没有充分响应交流配电网所面临的核心挑战，对于直流电网易于光伏、储能装置及各类直流负荷的接入，减少功率变换环节的优势挖掘不够。
2基于柔性变电站的交直流配电网技术
2.1 组网方案参考
典型的两端式结构，构建基于柔性变电站的交直流配电网组网方案如图 3 所示。柔性变电站 A、B 中压交流侧分别接入交流电网。中压直流侧互联，可实现潮流双向灵活控制；同时中压直流侧直接接入直流升压的光伏电源。低压交直流侧既可为交直流负荷供电，又可以接入分布式电源。通过柔性变电站的强大功能，形成“源网荷”协调互动的交直流配电网。
2.2 柔性变电站功能形态
柔性变电站是以电力电子广泛应用为特征的新一代变电站，在上述组网方案中居于核心地位。技术上，柔性变电站以电力电子技术、控制保护技术以及信息通信技术等的高度融合为特征；设备形态上，功能高度集中，设备界限逐渐模糊；角色定位上，不仅是能量传输节点、电网调控节点，还是负荷调控节点；运行方式上，既可以并网运行，又可以孤网运行；信息交互上，不但可以作为接收和执行信息的节点，而且可以实现数据采集功能，实现电气设备与信息的深度融合。随着容量的增大和电压等级的提高，柔性变电站在电力系统中可发挥能源路由器的作用，在分布式与集中式新能源柔性接入、用户多元化供用电、交直流混合联网、枢纽电站控制等方面有重要的应用前景。
2.3 方案技术先进性
于柔性变电站的交直流配电网是电力电子技术与配网技术的结合，其先进性体现在如下几方面。（1）在分布式电源方面，基于柔性变电站的交直流配电网技术可利用柔性电力设备特性，实现电压、频率等参数动态快速调节；可对变电站系统有功、无功功率起到综合支撑作用；与传统分布式能源并网方式相比，基于柔性变电站的交直流配电网技术可实现分布式电源的直流并网，为分布式电源接入电网的形态提供多样选择；同时具备与各类分布式电源、储能装置协调控制，灵活调控潮流。（2）在多元化负荷供电方面，基于柔性变电站的交直流配电网技术可实现交直流混合输出，提供多电压等级、交直流多电能形态的优质电源，适合数据中心、电动汽车等交直流多元化负荷即插即用，提升了用户友好性；可有效抑制电压闪变，提升电压合格率，隔离电能质量故障；可支撑用户需求侧管理，提供优质电力供应及紧急应召功能。（3）在配电网运行方面，基于柔性变电站的交直流配电网技术连接方式多样，可实现高低压交直流电网互联，实现交直流配电网能量灵活互通，提升配网运行的可控性；可利用电力电子设备动作特性，实现系统故障快速切除，提升配电网运行可靠性，是一种先进的配电网发展形态。（4）在设备集成度上，多功能交直流电力电子变压器集成了中压 AC/DC 变换器、DC/DC 变压器、AC/AC 变压器、低压DC / AC 变换器、无功补偿装置等设备功能，大幅减少设备配置。在系统设计、控制保护、装备研制等多个方面达到国际、国内领先水平，应用前景广泛。
结束语
传统交流配电网面临着直流电源和负荷大量涌现，用电需求多样化等挑战，交直流配电网逐渐成为研究热点。文章梳理了国内外交直流配电网技术现状，总结了现有方案特点。针对配电网面临的核心问题，提出了全新的基于柔性变电站的交直流配电网技术。柔性变电站将分散的电力电子设备高度集成，具备交直流多类型接口；具备潮流控制、新能源电源即插即用、定制化供电等功能，满足电网灵活高效运行、新能源发电、多元负荷等要求。搭建了系统模型，开展了电气计算，设计了自动化系统，制定了控制保护策略。仿真结果验证了方案原理及理论分析的正确性和工程实施的可行性，验证了基于柔性变电站的交直流配电网在提高“源网荷”协调互动水平、实现潮流互济、提高系统可靠性方面的作用。
参考文献：
［1］曾嘉思，徐习东，赵宇明． 交直流配电网可靠性对比［J］．电网技术，2014，38（9）：2582-2589．
［2］杜翼，江道灼，尹瑞，等． 直流配电网拓扑结构及控制策略［J］． 电力自动化设备，2015，35（1）：139-145．
论文作者:申忠强1,李星星1,张宾宾2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/13
标签：变电站论文; 柔性论文; 交直流论文; 配电网论文; 电网论文; 方案论文; 技术论文; 《电力设备》2018年第20期论文;