变电站内部设备
在河北张家口张北县小二台镇这个经济不甚发达的小镇上，坐落着一家高科技公司——“阿里数据港”，日前建成的世界首个柔性变电站就位于该数据港2A—2楼的一层供电大厅中。“四九”的张北气温已降至零下27摄氏度，但这个柔性变电站内却是一片紧张忙碌的景象。“合上504开关，合上504开关，对执行。”1月18日，随着主变开关合闸成功，最新研发的柔性变压器发出刺耳的高频声，小二台柔性变电站成功并网运行。
2017年5月，国网冀北电力有限公司发布《全球能源互联网张家口创新示范区发展白皮书》。白皮书中提到，柔性变电站和交直流配电网示范工程是国网冀北电力倡导打造全球能源互联网“样板间”所规划建设的“十大工程”之一。这是我国率先提出并实现的交直流混合配电网技术，是电力电子技术领域的原始性创新，对未来电力系统的发展具有引领作用，实现了我国电力电子技术从跟踪到引领的质的飞跃。
敢为人先 多方面技术达国际领先水平
“柔性变电站以一次设备电力电子化、二次控制技术智能化为特征，实现有功、无功、电压等的精确实时控制，它就相当于给配电网配置了一个‘智能管家’，让电能在不同电压等级和电能形态的端口间‘按需分配’，实现清洁能源优先供电，同时保障重要负荷的高可靠性和定制化用电。其建设及应用在世界上尚属首次，在系统设计、控制保护、装备研制等多个方面达到国际、国内领先水平。”国网冀北电力科信部智能处处长徐彭亮提起小二台柔性变电站时，显得十分自豪。
小二台柔性变电站的建成，实现了多方面技术创新。国网冀北电力协同联研院、南瑞集团等开展关键技术攻关和装备研制，提出了基于波动功率平衡新技术的少电容紧凑化新型拓扑，成功研制了纯固体绝缘的高频变压器及紧凑型换流阀等关键部件，集成了直流断路器、交直流变换器、变压器、无功补偿装置等多个设备功能，实现了配电网设备的“多合一”，一举突破了电力电子变压器模块化设计、FACTS(柔性交流输电)新型拓扑结构、“源—网—荷”一体化调控等关键技术难题，实现了“源—网—荷”智能化互动，为电力用户高质量供电和新能源高效率消纳提供了新的技术手段。与现有技术相比，柔性变电站提高了直流配电设备的性能指标，直流电容配置降低95%，能量密度提升200%。
随着社会发展，直流负荷大量出现在生活中。日光灯、节能灯、LED灯等照明系统，电视机、机顶盒、路由器等视听设备，以及迅速发展的电动汽车、数据处理中心等，最终使用的都是直流电。目前常规做法是采用交流电，离不开交/直变换，需在每个用电终端进行一次整流变换，转换过程中一些电能的损失以热能的方式散发。如果采用直流供电，则可以减少大量整流变压器，减少转换中散发出的热量(减少电能损耗)，减少换气扇、空调的资金投入。如果采用直流配电网，可以减少中间转换环节的能量损失。
伴随着分布式电源发电、储能、电力电子等技术的进步，配电网中用户侧的分布式可再生发电容量占比将不断提高，分布式储能、直流负荷的供电需求日益显现，配电网中潮流在电网与用户之间、高压配电网与中压配电网、中压配电网与低压配电网之间双向互动的需求越来越多。直流配电具有功率双向灵活可控、隔离故障、响应速度快等优势，未来公用配电网向交直流混合供电物理形态演进将成为未来配电网的发展方向。
柔性变电站在电网中不仅作为能量传输节点，而且还是电网调控节点与负荷调控节点，旨在提高电网状态参数及潮流的精确灵活控制，可实现电网有功、无功、电压等的平滑调控，提升电网安全稳定运行水平和高效运行等功能;柔性变电站应用于配电网，可提高“源—网—荷”互动能力，实现分布式电源及多元化交直流负荷的友好、有效接纳及协调控制，实现故障的快速隔离，提高用户供电电能质量。
多方协作 实现“源—网—荷”协调互动
小二台柔性变电站是张北柔直示范工程的重要组成部分，其整体设计、设备制造、安装接线以及基础连接等方面均为国内首创，由冀北经研院、冀北电科院、联研院、普瑞科技公司、张家口供电公司多家单位联合设计建设，国网冀北电力科信部、运检部负责统筹指挥。
“柔性变电站和交直流配电网示范工程由于是世界首创，还要体现‘源—网—荷’协调互动的理念。因此，国网冀北电力采用了深度与广度兼顾的参与方式。在制定技术方案的过程中，国网冀北电力全程参与，从可研角度对技术方案提出要求并协助完善方案。与负荷用户阿里巴巴公司积极沟通，就示范工程作为阿里公司张北创新研发展示中心主供电源达成一致，并赢得阿里公司进一步推广应用相关技术的意愿。与新能源企业商谈，设计了新能源电源接入方案。通过这些举措保证设计深度和质量，确保工程示范效果达到预期。”国网冀北电力经济技术研究院的一位专工介绍。
“该工程立项以来受到国家电网公司及国网冀北电力领导的高度重视，在实施过程中国网冀北电力成立‘张北交直流配电网及柔性变电站示范工程建设领导小组’，明确各部门及参建单位的建设任务及建设目标，通过周电话例会制度、工程建设日管控微信群等方式协调解决工程实施中存在的问题及困难。”运检部专工周磊向记者介绍。
国网冀北电力对工作内容进行不断梳理，科学谋划，精心安排，组织专业技术骨干组成团队，细化职责分工，明确工作联系制度、会议制度，规范信息报送制度，强化工作要求。国网冀北电力与阿里巴巴集团基础架构事业部签订合作协议、与亿利集团达成合作意向。组织从系统一二次、关键设备等方面开展了技术方案专题研究，同步开展工程可研、施工。
交直流配电网及柔性变电站示范工程是世界首创的“交/直流供电、高频变电、定制用电”的配电网工程，施工、配线人员都是第一次接触此类工程，没有先例可循，只能对着图纸“摸石头过河”，厂家安装人员面对大量的首台首套新设备也常常“自顾不暇”。在这种情形下，国网冀北电力按柔性变电站的电能形态和主要功能划分了4个工作界面，实现施工、设备厂家及调试人员全面对接、协同作战，大大加快了工程进度。
时间回到2017年11月，此时柔性变电站控制保护程序刚刚完成编程，尚未经过实时数字仿真(RTDS)试验检测和消缺，而距离工程投产日期已经越来越近了。电科院电网技术中心的技术骨干们早出晚归，在设备研制单位全球能源互联网研究院埋头攻关，周六日也“连轴转”。在RTDS实时仿真系统中，技术专家为柔性变电站及光伏升压站全部一次设备建立了仿真模型，将保护后台、测控柜、柔变控制柜、柔变保护柜以及光伏保护柜一起进行全系统的控制保护联合测试。在短短2个月时间里，技术专家对柔性变电站的保护功能、控制性能、控制策略、顺控流程等都进行了全面测试，敏锐地发现了各装置的功能缺陷，提出专业的解决方案，终于赶在设备入场前完成全部二次设备入网检测。
在小二台柔性变电站的建设过程中，国网冀北电力与多家单位进行了协同合作，实现了科技攻关，为我国电网技术的创新发展贡献了力量。小二台柔性变电站的并网投运对交直流配电网系统构建、直流电压等级选择、运行控制、保护配置及配网提升消纳新能源水平等做出了示范，为未来交直流配电网的设计、运行进行了有益探索。未来，柔性变电站技术将应用到更高电压等级的主网上，作为枢纽变电站来进行潮流调控，从而使电网调度、运行更加灵活，大大提高设备资产利用率，降低电网造价。
