交直流柔性配電網的探索實踐

有專家指出，張北柔性變電站及交直流配電網科技示范工程，是電力電子技術領域首次由中國人提出概念并加以實現的偉大實踐。工程首創基于柔性變電站的交直流配電網理念，將張北阿里巴巴數據中心和光伏發電連接，首次實現了智能電網與云計算產業的深度結合，勾勒了未來電網發展的新形態。

2018年12月26日建成投運的張家口柔性變電站及交直流配電網示范工程，猶如一座橋梁，將張北縣德勝村億利集團光伏扶貧電站與阿里巴巴張北數據中心連接在一起，為該數據中心提供源源不斷的綠色能源。示范工程首次實現了智能電網與互聯網產業的供用電深度結合，真正實現了阿里巴巴張北數據中心用能清潔化。

柔性變電技術

接受和分配電能更靈活可控

“冀北地區新能源資源豐富，尤其是光伏發電近年來發展迅猛。我們一直在想，如何找到一種變電技術，既能滿足配電網日益增長的復雜需求，又能直接應用光伏的直流電。”國網冀北電力有限公司副總工程師、互聯網部主任閆忠平告訴記者。

近年來，冀北公司立足于探索未來配電網的發展形態，服務于張家口可再生能源示范區建設，協同全球能源互聯網研究院、南瑞集團中電普瑞科技等單位，與阿里巴巴集團、億利集團緊密合作，以配電網技術創新引領“源-網-荷”協調發展，在全球首次提出了柔性變電技術設想，并成功將其變為現實。

2018年12月26日，世界首個柔性變電站及交直流配電網示范工程完成了近1年的全部試驗和試運行，正式投入商業運行。

該示范工程建設有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備電力電子變壓器具有4個交直流端口，在配電網中如同一個“縱橫交錯江河中的碼頭”。示范工程在低壓側能夠提供直流750伏（含240伏）、交流380伏等3種靈活的供電方式，可實現多種能源、多元負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網平臺，通過接入張北縣德勝村2.5兆瓦光伏扶貧發電，滿足了阿里巴巴張北數據中心綠色用能需求，實現了發電、電網、客戶等多利益主體的共贏。

“這是電力電子技術領域第一次由中國人提出概念并加以實現的偉大實踐，歷史將會記住這一天。”該示范工程正式投入商業運行時，時任全球能源互聯網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行高效變換，并以靈活可控即插即用方式接受和分配電能。”作為工程的全程參與者，冀北公司科技部成果管理處處長徐彭亮解釋道，“柔性”主要體現在：電源和負荷接入是柔性的，可以交流供電也可以直流供電;不同端口間的功率調節平滑、無間斷，一路電源故障后，另一路電源自動承載全部負荷，沒有任何間斷;電源和負荷在電氣上是連接的，但電能質量問題是相互隔離的，相當于建立了一個防火墻，防止電網側的諧波污染進入客戶側，反之亦然。

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

攻克世界級難題

實現清潔能源就近消納

“首臺”“首次”“首套”成為示范工程建設中的高頻詞。示范工程作為集技術創新、新興產業多元供電服務、光伏扶貧、清潔能源消納于一體的能源互聯網示范項目，是我國率先提出并實現的交直流混合配電網技術。工程為應對配電網電源清潔化、多元化，網絡電力電子化、信息化以及負荷特性復雜化、互動化的發展需求，提供了重要解決方案。

“我們成功攻克了成套設計、‘源-網-荷’控制保護等一系列技術難題，終于打造出一個靈活開放的平臺，實現了發電、電網、客戶的共贏。現在的柔性變電站裝備可實現多種能源、多元負荷和儲能即插即用，為客戶提供了豐富的自主選擇權。”徐彭亮說。

“常規的數據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。高壓直流的優勢在于沒有中間的逆變環節，減少能效損耗。柔變項目正好匹配我們的業務需求，最大的好處是就近消納了光伏發電的直流電。”阿里巴巴數據中心的工作人員說。

記者了解到，示范項目選址于此，是因為張北地區新能源資源豐富，還具備空氣清潔、氣溫低、電價低等特點，而看重這些特點的阿里巴巴數據中心一方面對使用綠色能源具有一定需求，同時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定的問題，且當前光伏+儲能造價成本太高，尚不具備經濟性，通過示范項目則可將新能源和常規電網無縫連接，能夠較好地銜接發電企業與客戶的需求。

“在阿里巴巴張北云計算數據中心，通過直流升壓的方式，將光伏發電輸送至數據中心，接入系統作為備用，可以實現綠色能源的就近消納，余量還可上網。這套設備在一定程度上代表配電網的發展方向。”徐彭亮說道。

“簡而言之，基于柔性變電站的交直流配電網減少了轉換過程，縮小了設備體積，降低了能耗折損，同時也保證了數據中心的用電可靠性。”時任全球能源互聯網研究院電力電子研究所所長鄧占鋒說，數據中心對用電的質量有較高的要求，而電網本身由于接入客戶眾多而存在諸多干擾因素。經過這套裝置，電網的干擾不會傳導給客戶，同時，數據中心產生的干擾通過這套裝置進行了有效的隔離，也不會傳導至電網。

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

“光伏發電一般需要將直流電通過逆變器變成交流電再上網，客戶側需要將交流電變成直流電進行使用，過程中存在能耗損失。”億利集團張家口億源新能源有限公司負責人介紹，基于柔性變電站的交直流配電網實現了光伏發電兆瓦級容量直接高壓直流并網，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。