0 引言

伴随着电力电子技术的快速发展，柔性直流技术在更多的领域得到应用。近些年，直流配电网成为研究热点，与传统交流配电网相比具有多个优势：省略DC/AC逆变环节、减少耗能；提升配网的输电距离和输送容量，可控电能质量；方便设置储能装置，供电可靠性高；易于新能源的接入等。基于柔性交直流配电网的示范工程，变电站的电气设计是整个工程的重要组成部分，为了系统方案得以实现、设备技术得到合理应用，需要开展相关研究^[1-4]。

目前，直流配电网受到广泛关注，系统拓扑和运行控制策略等技术问题得到充分研究。在我国，深圳宝龙工业城直流配网示范工程、江苏苏州主动配电网综合示范工程实施建设，代表着相关技术由研究转向实践^[5-8]。以上工程有着不同的系统拓扑，但主要利用了直流配电网在输电方面的优势，变电站（换流站）的设计研究着力较少。基于新研制的多功能交直流电力电子变压器（以下简称“柔性变压器”），使得变电站处于能量转换、调控的核心位置，需要深化变电站设计研究。

本文依托张北交直流配电网及柔性变电站示范工程，对工程核心的柔性变电站开展设计研究。为了实现新的“源-网-荷”组网模式，并保证核心设备柔性变压器得以充分利用，柔性变电站电气主接线是首要研究内容；作为工程实施的另一核心，合理的电气总平面布置至关重要。示范工程中大量应用新研制的直流设备，本文对相关设备进行收资调研，并确定了主要设备选型原则。经过上述设计研究，可以较为完整地展现柔性变电站的特点，为工程的顺利开展提供保障。

1 工程概况

张北交直流配电网及柔性变电站示范工程位于张家口市张北县，主体工程包括位于小二台镇的柔性变电站、光伏发电集中并网的光伏直流升压站以及联络两站的±10kV直流输电线路，工程概况如图1所示。

示范工程的核心是四端口柔性变压器，位于小二台柔性变电站中。变压器将联络交流10 kV、直流±10 kV、直流±375 V、交流380 V四个电压等级，对能量进行变换和调控。

小二台柔性变电站与阿里巴巴张北创新研发展示中心合建于同一建筑中，展示中心的服务器作为工程主要负荷，可以接受交流供电或直流供电。变电站外部接口如下：交流10 kV侧与云计算110 kV变电站相连，云计算为交流电源；直流±10 kV侧与光伏升压站相连，集中式的光伏发电作为直流电源；直流±375 V和交流380 V为服务器负荷供电。在远期规划中，直流±375 V可接入分布式光伏、电动汽车充电桩等电源和负荷。

柔性变电站的电气联系较为复杂，同时受限于合建场地，所以，需要对电气主接线和电气平面布置设计开展深入研究。

2 电气主接线

柔性变电站配置柔性变压器和1台干式变压器（容量2.5 MVA），共四个电压等级，电气主接线如图2所示。

变电站交流高压侧（10 kV侧）采用单母线分段接线，共有4回出线和2回主变进线。在每段母线上，布置1回出线连接云计算站，另1回出线连接展示中心内的柴油发电机，应急使用。2回主变进线为柔性变压器和干式变压器，分列运行，单台容量可供展示中心内所有服务器负荷。

直流高压侧（±10 kV侧）采用单母线接线，本期1回出线，对端是光伏直流升压站。主要设备选用快速隔离开关柜，正极和负极独立配置。

直流低压侧（±375 V侧）采用单母线接线，总进线为柔性变压器，可以提供多路直流馈线。直流母线极间配置超级电容，可作短时间的能量供应和电压支撑。

交流低压侧（380 V侧）为带联络开关的两条单母线接线。因服务器可实现两路电源同时输入，一条低压母线停电时仍然可以为全部重要负荷供电，联络开关通常为打开状态。

通过电气主接线的设计，实现了与外部接口的协调，有效发挥柔性变压器的功能，同时满足服务器负荷高可靠性的要求。

3 电气总平面布置

小二台柔性变电站位于阿里巴巴张北创新研发展示中心内，占用生产用房的一部分，面积约570平方米。变电站设备多，面积有效，经过不断优化，电气总平面布置如图3所示。

因本站空间较小，考虑到厂房层高较大，设置了局部二层，主要用于摆放二次设备和监控工作台。在变电站一层，主要有配电装置室、柔变阀厅、电抗器室、水冷系统室、资料室等房间。四个电压等级的断路器和隔离开关设备均为开关柜型式，布置于配电装置室；作为柔性变压器主要组成部分的阀塔与储能设备布置于阀厅内，同时为阀体配置气体灭火装置；桥臂电抗器上下叠放，位于电抗器室；水冷控制室放置水冷泵，连同室外的风机构成阀塔的冷却系统。作为示范工程，为配合参观展示的需求，在一层隔离出独立的资料室，并在入口处的大厅留出较多空间。

上述电气平面布置方案有效利用了空间，功能分区清晰、联系合理，可以满足运维人员的工作习惯，同时为站内示范展示创造了有利条件。

4 主要设备选型

除柔性变压器外，±10 kV直流开关设备和储能装置在变电站中均属首次应用，以下对这两种主要设备的选型进行分析。

4.1 直流快速隔离开关

基于全可控的IGBT器件，柔性变压器具备故障电流关断能力。因此，±10kV线路的开合控制可由柔性变压器完成，从而省去直流断路器，大大降低工程造价。

变电站内配置直流快速隔离开关柜，采用接近交流开关柜的结构，核心为动作时间极短的隔离开关。主要设备参数见表1。

从直流快速隔离开关的参数分析，设备可以满足正常运行、过电压、短路情况下的要求。隔离开关的额定分断时间非常小，在10 ms以内，可以配合柔性变压器进行直流故障隔离，具体操作如下：检测直流故障，柔性变压器闭锁，快速隔离开关打开，柔性变压器解除闭锁，恢复运行。

4.2 超级电容

在切除或投入±10 kV直流线路时需要柔性变压器闭锁，将引起低压侧停电。配合直流快速隔离开关的动作，整个过程时间很短，在100ms以内。为了实现短时间内能量转供，在柔性变压器直流低压侧配置一套超级电容，主要参数如表2所示。

超级电容储能装置配置3面DC/DC变流器柜和3面超级电容柜，可以满足低压侧2.5 MW的功率需求。在按照正常运行模式下，柔性变压器供电负荷为1.25 MW，恒功率放电时间可达13 s，能够实现柔性变压器闭锁时的能量转供。

5 结论

基于张北交直流配电网示范工程以及四端口的柔性变压器，本文开展了柔性变电站设计研究。结合主要设备特点和外部接口条件，完成电气主接线设计，达成源-网-荷的合理联系，同时具有极高的供电可靠性；在设备复杂、空间受限的条件下，完成电气总平面设计，满足运维要求和展示需求。最后，对直流快速隔离开关和超级电容等设备进行收资选型，配合柔性变压器可实现±10kV线路的切合控制，节省了直流断路器的投资。本文的设计研究成果可以为工程实施提供参考。

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作者信息:

杨朝翔

（国网冀北电力有限公司经济技术研究院，北京 100038）