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(gè)優(yōu)勢(shì)：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(chǔ)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(jì)是整個(gè)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(guó)，深圳寶龍工業(yè)城直流配網(wǎng)示范工程、江蘇蘇州主動(dòng)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)洌饕昧酥绷髋潆娋W(wǎng)在輸電方面的優(yōu)勢(shì)，變電站（換流站）的設(shè)計(jì)研究著力較少。基于新研制的多功能交直流電力電子變壓器（以下簡(jiǎn)稱“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(jì)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(duì)工程核心的柔性變電站開展設(shè)計(jì)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?jī)?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(duì)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(jì)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(tái)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(tái)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(gè)電壓等級(jí)，對(duì)能量進(jìn)行變換和調(diào)控。

    小二臺(tái)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(jì)算110 kV變電站相連，云計(jì)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(dòng)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(shí)受限于合建場(chǎng)地，所以，需要對(duì)電氣主接線和電氣平面布置設(shè)計(jì)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(tái)干式變壓器（容量2.5 MVA），共四個(gè)電壓等級(jí)，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(jì)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(tái)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(duì)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(jí)電容，可作短時(shí)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(shí)輸入，一條低壓母線停電時(shí)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(jì)，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(shí)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(tái)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(tái)。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(gè)電壓等級(jí)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(chǔ)能設(shè)備布置于閥廳內(nèi)，同時(shí)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(shí)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(chǔ)能裝置在變電站中均屬首次應(yīng)用，以下對(duì)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(jià)。

    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(dòng)作時(shí)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(shí)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(cè)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(jí)電容

    在切除或投入±10 kV直流線路時(shí)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(dòng)作，整個(gè)過程時(shí)間很短，在100ms以內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)短時(shí)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(jí)電容，主要參數(shù)如表2所示。

    超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置配置3面DC/DC變流器柜和3面超級(jí)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(shí)間可達(dá)13 s，能夠?qū)崿F(xiàn)柔性變壓器閉鎖時(shí)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(jì)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(jì)，達(dá)成源-網(wǎng)-荷的合理聯(lián)系，同時(shí)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(jì)，滿足運(yùn)維要求和展示需求。最后，對(duì)直流快速隔離開關(guān)和超級(jí)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(jì)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(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100038）