國網(wǎng)冀北柔性變電站技術(shù)的設(shè)想即將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

河北省張家口市張北縣，氣溫已下降到零下22攝氏度，在通往阿里巴巴張北數(shù)據(jù)中心的道路兩邊，厚厚的積雪還沒有融化，一座座白色風(fēng)機(jī)高高聳立，巨大的葉片悠悠轉(zhuǎn)動(dòng)，成片光伏發(fā)電板整齊排列在草原之中。

國網(wǎng)冀北電力有限公司日前建成投運(yùn)的張家口柔性變電站及交直流配電網(wǎng)示范工程，猶如一座橋梁，將該數(shù)據(jù)中心與張北縣德勝村億利集團(tuán)光伏扶貧電站連接在一起，為該數(shù)據(jù)中心提供源源不斷的綠色能源。該示范工程首次實(shí)現(xiàn)了智能電網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的供用電深度結(jié)合，真正實(shí)現(xiàn)了阿里巴巴張北數(shù)據(jù)中心用能清潔化。

柔性變電技術(shù) 接受和分配電能更靈活可控

“冀北地區(qū)新能源資源豐富，尤其是光伏發(fā)電近年來發(fā)展迅猛。我們一直在想，如何找到一種變電技術(shù)，既能滿足配電網(wǎng)日益增長的復(fù)雜需求，又能直接應(yīng)用光伏的直流電?！眹W(wǎng)冀北電力科信部主任閆忠平告訴記者。

近年來，國網(wǎng)冀北電力立足于探索未來配電網(wǎng)的發(fā)展形態(tài)，服務(wù)于張家口可再生能源示范區(qū)建設(shè)，協(xié)同全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院、南瑞集團(tuán)中電普瑞科技等單位，與阿里巴巴集團(tuán)、億利集團(tuán)緊密合作，以配電網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)“源-網(wǎng)-荷”協(xié)調(diào)發(fā)展，在全球首次提出了大膽的柔性變電技術(shù)設(shè)想，并成功將其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

2018年12月26日，世界首個(gè)柔性變電站及交直流配電網(wǎng)示范工程完成了近1年的全部試驗(yàn)和試運(yùn)行，正式投入商業(yè)運(yùn)行。

該示范工程建設(shè)有10千伏光伏直流升壓站一座、10千伏柔性變電站一座。其中，10千伏柔性變電站的核心設(shè)備電力電子變壓器具有4個(gè)交直流端口，在配電網(wǎng)中如同一個(gè)“縱橫交錯(cuò)江河中的碼頭”。示范工程在低壓側(cè)能夠提供直流750伏（含240伏）、交流380伏等3種靈活的供電方式，可實(shí)現(xiàn)多種能源、多元負(fù)荷和儲能的即插即用和靈活接入；打造了靈活開放的能源互聯(lián)網(wǎng)平臺，通過接入張北縣德勝村2.5兆瓦光伏扶貧發(fā)電，滿足了阿里巴巴張北數(shù)據(jù)中心綠色用能需求，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電、電網(wǎng)、客戶等多利益主體的共贏。

“這是電力電子技術(shù)領(lǐng)域第一次由中國人提出概念并加以實(shí)現(xiàn)的偉大實(shí)踐，歷史將會記住這一天?！痹撌痉豆こ陶酵度肷虡I(yè)運(yùn)行時(shí)，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院院長邱宇峰感嘆道。

“柔性變電站就是對不同形式的電壓和電流進(jìn)行高效變換，并以靈活可控即插即用方式接受和分配電能?！弊鳛楣こ痰娜虆⑴c者，國網(wǎng)冀北電力科信部智能處處長徐彭亮解釋道，“柔性”主要體現(xiàn)在：電源和負(fù)荷接入是柔性的，可以交流供電也可以直流供電；不同端口間的功率調(diào)節(jié)平滑、無間斷，一路電源故障后，另一路電源自動(dòng)承載全部負(fù)荷，沒有任何間斷；電源和負(fù)荷在電氣上是連接的，但電能質(zhì)量問題是相互隔離的，相當(dāng)于建立了一個(gè)防火墻，防止電網(wǎng)側(cè)的諧波污染進(jìn)入客戶側(cè)，反之亦然。

而傳統(tǒng)變電站的調(diào)節(jié)只能二選一，具有排他性，交流和直流不可兼得；所有問題都會在電網(wǎng)和客戶之間互相傳遞。在傳統(tǒng)變電站條件下，客戶如果將新能源直接作為一路電源，因其間歇性，必然經(jīng)歷頻繁的電源切換和電源短時(shí)中斷，柔性變電站則可以完美解決這一問題。

攻克世界級難題 實(shí)現(xiàn)清潔能源就近消納

“首臺”“首次”“首套”成為示范工程建設(shè)中的高頻詞。示范工程作為集技術(shù)創(chuàng)新、新興產(chǎn)業(yè)多元供電服務(wù)、光伏扶貧、清潔能源消納于一體的能源互聯(lián)網(wǎng)示范項(xiàng)目，是我國率先提出并實(shí)現(xiàn)的交直流混合配電網(wǎng)技術(shù)。工程為應(yīng)對配電網(wǎng)電源清潔化、多元化，網(wǎng)絡(luò)電力電子化、信息化以及負(fù)荷特性復(fù)雜化、互動(dòng)化的發(fā)展需求，提供了重要解決方案。

“我們成功攻克了成套設(shè)計(jì)、‘源-網(wǎng)-荷’控制保護(hù)等一系列技術(shù)難題，終于打造出一個(gè)靈活開放的平臺，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電、電網(wǎng)、客戶的共贏?，F(xiàn)在的柔性變電站裝備可實(shí)現(xiàn)多種能源、多元負(fù)荷和儲能即插即用，為客戶提供了豐富的自主選擇權(quán)?！毙炫砹琳f。

“常規(guī)的數(shù)據(jù)中心使用的是雙路交流電。阿里從2011年起就開始使用一路高壓直流電。高壓直流的優(yōu)勢在于沒有中間的逆變環(huán)節(jié)，減少能效損耗。柔變項(xiàng)目正好匹配我們的業(yè)務(wù)需求，最大的好處是就近消納了光伏發(fā)電的直流電?！卑⒗锇桶蛿?shù)據(jù)中心的工作人員說。

記者了解到，示范項(xiàng)目選址于此，是因?yàn)閺埍钡貐^(qū)新能源資源豐富，還具備空氣清潔、氣溫低、電價(jià)低等特點(diǎn)，而看重這些特點(diǎn)的阿里巴巴數(shù)據(jù)中心一方面對使用綠色能源具有一定需求，同時(shí)對于電力可靠性也具有極高的要求。但是，新能源目前存在不穩(wěn)定的問題，且當(dāng)前光伏+儲能造價(jià)成本太高，尚不具備經(jīng)濟(jì)性，通過示范項(xiàng)目則可將新能源和常規(guī)電網(wǎng)無縫連接，能夠較好地銜接發(fā)電企業(yè)與客戶的需求。

“在阿里巴巴張北云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，通過直流升壓的方式，將光伏發(fā)電輸送至數(shù)據(jù)中心，接入系統(tǒng)作為備用，可以實(shí)現(xiàn)綠色能源的就近消納，余量還可上網(wǎng)。這套設(shè)備在一定程度上代表配電網(wǎng)的發(fā)展方向?！毙炫砹琳f道。

“簡而言之，基于柔性變電站的交直流配電網(wǎng)減少了轉(zhuǎn)換過程，縮小了設(shè)備體積，降低了能耗折損，同時(shí)也保證了數(shù)據(jù)中心的用電可靠性?！比蚰茉椿ヂ?lián)網(wǎng)研究院電力電子研究所所長鄧占鋒說，數(shù)據(jù)中心對用電的質(zhì)量有較高的要求，而電網(wǎng)本身由于接入客戶眾多而存在諸多干擾因素。經(jīng)過這套裝置，電網(wǎng)的干擾不會傳導(dǎo)給客戶，同時(shí)，數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的干擾通過這套裝置進(jìn)行了有效的隔離，也不會傳導(dǎo)至電網(wǎng)。

對于新能源發(fā)電企業(yè)而言，基于柔性變電站的配電網(wǎng)能夠降低能耗，保證新能源的就近消納，增加電站收益。

“光伏發(fā)電一般需要將直流電通過逆變器變成交流電再上網(wǎng)，客戶側(cè)需要將交流電變成直流電進(jìn)行使用，過程中存在能耗損失?！眱|利集團(tuán)張家口億源新能源有限公司副總經(jīng)理戚洪林介紹，基于柔性變電站的交直流配電網(wǎng)解決了分布式光伏電站就地消納的問題，實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電兆瓦級容量不經(jīng)逆變環(huán)節(jié)，直接高壓直流并網(wǎng)，降低了過程中的損耗。按照市場常見光伏逆變器效率折算，該項(xiàng)目降低變換損耗約為2%，每年可為億源德勝光伏扶貧電站增加7萬余元收益。

示范工程成功投入商業(yè)運(yùn)營，對未來交直流配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行作出了有益探索。下一步，國網(wǎng)冀北電力將把這一技術(shù)應(yīng)用到服務(wù)冬奧的智能配網(wǎng)中，提高新能源的消納水平，提高設(shè)備利用率，降低電網(wǎng)造價(jià)。