0  引言

    伴隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展,，柔性直流技術(shù)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用,。近些年，直流配電網(wǎng)成為研究熱點(diǎn),，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(shè)置儲能裝置，供電可靠性高,；易于新能源的接入等,。基于柔性交直流配電網(wǎng)的示范工程,，變電站的電氣設(shè)計是整個工程的重要組成部分,，為了系統(tǒng)方案得以實(shí)現(xiàn)、設(shè)備技術(shù)得到合理應(yīng)用,，需要開展相關(guān)研究^[1-4],。

    目前，直流配電網(wǎng)受到廣泛關(guān)注,，系統(tǒng)拓?fù)浜瓦\(yùn)行控制策略等技術(shù)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(shí)施建設(shè),，代表著相關(guān)技術(shù)由研究轉(zhuǎn)向?qū)嵺`^[5-8]。以上工程有著不同的系統(tǒng)拓?fù)?，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(shè)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(zhuǎn)換、調(diào)控的核心位置，需要深化變電站設(shè)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(shè)計研究。為了實(shí)現(xiàn)新的“源-網(wǎng)-荷”組網(wǎng)模式,，并保證核心設(shè)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(shí)施的另一核心,，合理的電氣總平面布置至關(guān)重要,。示范工程中大量應(yīng)用新研制的直流設(shè)備，本文對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行收資調(diào)研,，并確定了主要設(shè)備選型原則,。經(jīng)過上述設(shè)計研究，可以較為完整地展現(xiàn)柔性變電站的特點(diǎn),，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(luò)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(luò)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(jìn)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(wù)器作為工程主要負(fù)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(cè)與云計算110 kV變電站相連,，云計算為交流電源；直流±10 kV側(cè)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(wù)器負(fù)荷供電。在遠(yuǎn)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(fù)荷。

    柔性變電站的電氣聯(lián)系較為復(fù)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(shè)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(cè)（10 kV側(cè)）采用單母線分段接線,，共有4回出線和2回主變進(jìn)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(jī)，應(yīng)急使用,。2回主變進(jìn)線為柔性變壓器和干式變壓器,，分列運(yùn)行，單臺容量可供展示中心內(nèi)所有服務(wù)器負(fù)荷,。

    直流高壓側(cè)（±10 kV側(cè)）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(shè)備選用快速隔離開關(guān)柜,，正極和負(fù)極獨(dú)立配置。

    直流低壓側(cè)（±375 V側(cè)）采用單母線接線,，總進(jìn)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(yīng)和電壓支撐,。

    交流低壓側(cè)（380 V側(cè)）為帶聯(lián)絡(luò)開關(guān)的兩條單母線接線。因服務(wù)器可實(shí)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(fù)荷供電,，聯(lián)絡(luò)開關(guān)通常為打開狀態(tài)。

    通過電氣主接線的設(shè)計,，實(shí)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(wù)器負(fù)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(shè)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(shè)置了局部二層,，主要用于擺放二次設(shè)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(guān)設(shè)備均為開關(guān)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(shè)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(fēng)機(jī)構(gòu)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(dú)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(yùn)維人員的工作習(xí)慣，同時為站內(nèi)示范展示創(chuàng)造了有利條件,。

4  主要設(shè)備選型

    除柔性變壓器外,，±10 kV直流開關(guān)設(shè)備和儲能裝置在變電站中均屬首次應(yīng)用，以下對這兩種主要設(shè)備的選型進(jìn)行分析,。

4.1  直流快速隔離開關(guān)

    基于全可控的IGBT器件,，柔性變壓器具備故障電流關(guān)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(guān)柜,，采用接近交流開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)，核心為動作時間極短的隔離開關(guān),。主要設(shè)備參數(shù)見表1,。

    從直流快速隔離開關(guān)的參數(shù)分析,，設(shè)備可以滿足正常運(yùn)行、過電壓,、短路情況下的要求,。隔離開關(guān)的額定分?jǐn)鄷r間非常小，在10 ms以內(nèi),，可以配合柔性變壓器進(jìn)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(guān)打開,，柔性變壓器解除閉鎖，恢復(fù)運(yùn)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(cè)停電。配合直流快速隔離開關(guān)的動作,，整個過程時間很短，在100ms以內(nèi),。為了實(shí)現(xiàn)短時間內(nèi)能量轉(zhuǎn)供,，在柔性變壓器直流低壓側(cè)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(cè)2.5 MW的功率需求。在按照正常運(yùn)行模式下,，柔性變壓器供電負(fù)荷為1.25 MW,，恒功率放電時間可達(dá)13 s，能夠?qū)崿F(xiàn)柔性變壓器閉鎖時的能量轉(zhuǎn)供,。

5  結(jié)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(shè)計研究。結(jié)合主要設(shè)備特點(diǎn)和外部接口條件,，完成電氣主接線設(shè)計,，達(dá)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(shè)備復(fù)雜,、空間受限的條件下，完成電氣總平面設(shè)計,，滿足運(yùn)維要求和展示需求,。最后，對直流快速隔離開關(guān)和超級電容等設(shè)備進(jìn)行收資選型,，配合柔性變壓器可實(shí)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(shè)計研究成果可以為工程實(shí)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(jì)技術(shù)研究院，北京 100038）