柔性配网的创新实践——记世界首创柔性交直流配电网示范工程

1月8日，河北省张家口市张北县，气温已下降到零下22摄氏度，在通往阿里巴巴张北数据中心的道路两边，厚厚的积雪还没有融化，一座座白色风机高高耸立，巨大的叶片悠悠转动，成片光伏发电板整齐排列在草原之中。

国网冀北电力有限公司日前建成投运的张家口柔性变电站及交直流配电网示范工程，犹如一座桥梁，将该数据中心与张北县德胜村亿利集团光伏扶贫电站连接在一起，为该数据中心提供源源不断的绿色能源。该示范工程首次实现了智能电网与互联网产业的供用电深度结合，真正实现了阿里巴巴张北数据中心用能清洁化。

柔性变电技术 接受和分配电能更灵活可控

“冀北地区新能源资源丰富，尤其是光伏发电近年来发展迅猛。我们一直在想，如何找到一种变电技术，既能满足配电网日益增长的复杂需求，又能直接应用光伏的直流电。”国网冀北电力科信部主任闫忠平告诉记者。

近年来，国网冀北电力立足于探索未来配电网的发展形态，服务于张家口可再生能源示范区建设，协同全球能源互联网研究院、南瑞集团中电普瑞科技等单位，与阿里巴巴集团、亿利集团紧密合作，以配电网技术创新引领“源-网-荷”协调发展，在全球首次提出了大胆的柔性变电技术设想，并成功将其变为现实。

2018年12月26日，世界首个柔性变电站及交直流配电网示范工程完成了近1年的全部试验和试运行，正式投入商业运行。

该示范工程建设有10千伏光伏直流升压站一座、10千伏柔性变电站一座。其中，10千伏柔性变电站的核心设备电力电子变压器具有4个交直流端口，在配电网中如同一个“纵横交错江河中的码头”。示范工程在低压侧能够提供直流750伏（含240伏）、交流380伏等3种灵活的供电方式，可实现多种能源、多元负荷和储能的即插即用和灵活接入；打造了灵活开放的能源互联网平台，通过接入张北县德胜村2.5兆瓦光伏扶贫发电，满足了阿里巴巴张北数据中心绿色用能需求，实现了发电、电网、客户等多利益主体的共赢。

“这是电力电子技术领域第一次由中国人提出概念并加以实现的伟大实践，历史将会记住这一天。”该示范工程正式投入商业运行时，全球能源互联网研究院院长邱宇峰感叹道。

“柔性变电站就是对不同形式的电压和电流进行高效变换，并以灵活可控即插即用方式接受和分配电能。”作为工程的全程参与者，国网冀北电力科信部智能处处长徐彭亮解释道，“柔性”主要体现在：电源和负荷接入是柔性的，可以交流供电也可以直流供电；不同端口间的功率调节平滑、无间断，一路电源故障后，另一路电源自动承载全部负荷，没有任何间断；电源和负荷在电气上是连接的，但电能质量问题是相互隔离的，相当于建立了一个防火墙，防止电网侧的谐波污染进入客户侧，反之亦然。

而传统变电站的调节只能二选一，具有排他性，交流和直流不可兼得；所有问题都会在电网和客户之间互相传递。在传统变电站条件下，客户如果将新能源直接作为一路电源，因其间歇性，必然经历频繁的电源切换和电源短时中断，柔性变电站则可以完美解决这一问题。

攻克世界级难题 实现清洁能源就近消纳

“首台”“首次”“首套”成为示范工程建设中的高频词。示范工程作为集技术创新、新兴产业多元供电服务、光伏扶贫、清洁能源消纳于一体的能源互联网示范项目，是我国率先提出并实现的交直流混合配电网技术。工程为应对配电网电源清洁化、多元化，网络电力电子化、信息化以及负荷特性复杂化、互动化的发展需求，提供了重要解决方案。

“我们成功攻克了成套设计、‘源-网-荷’控制保护等一系列技术难题，终于打造出一个灵活开放的平台，实现了发电、电网、客户的共赢。现在的柔性变电站装备可实现多种能源、多元负荷和储能即插即用，为客户提供了丰富的自主选择权。”徐彭亮说。

“常规的数据中心使用的是双路交流电。阿里从2011年起就开始使用一路高压直流电。高压直流的优势在于没有中间的逆变环节，减少能效损耗。柔变项目正好匹配我们的业务需求，最大的好处是就近消纳了光伏发电的直流电。”阿里巴巴数据中心的工作人员说。

记者了解到，示范项目选址于此，是因为张北地区新能源资源丰富，还具备空气清洁、气温低、电价低等特点，而看重这些特点的阿里巴巴数据中心一方面对使用绿色能源具有一定需求，同时对于电力可靠性也具有极高的要求。但是，新能源目前存在不稳定的问题，且当前光伏+储能造价成本太高，尚不具备经济性，通过示范项目则可将新能源和常规电网无缝连接，能够较好地衔接发电企业与客户的需求。

“在阿里巴巴张北云计算数据中心，通过直流升压的方式，将光伏发电输送至数据中心，接入系统作为备用，可以实现绿色能源的就近消纳，余量还可上网。这套设备在一定程度上代表配电网的发展方向。”徐彭亮说道。

“简而言之，基于柔性变电站的交直流配电网减少了转换过程，缩小了设备体积，降低了能耗折损，同时也保证了数据中心的用电可靠性。”全球能源互联网研究院电力电子研究所所长邓占锋说，数据中心对用电的质量有较高的要求，而电网本身由于接入客户众多而存在诸多干扰因素。经过这套装置，电网的干扰不会传导给客户，同时，数据中心产生的干扰通过这套装置进行了有效的隔离，也不会传导至电网。

对于新能源发电企业而言，基于柔性变电站的配电网能够降低能耗，保证新能源的就近消纳，增加电站收益。

“光伏发电一般需要将直流电通过逆变器变成交流电再上网，客户侧需要将交流电变成直流电进行使用，过程中存在能耗损失。”亿利集团张家口亿源新能源有限公司副总经理戚洪林介绍，基于柔性变电站的交直流配电网解决了分布式光伏电站就地消纳的问题，实现了光伏发电兆瓦级容量不经逆变环节，直接高压直流并网，降低了过程中的损耗。按照市场常见光伏逆变器效率折算，该项目降低变换损耗约为2%，每年可为亿源德胜光伏扶贫电站增加7万余元收益。

示范工程成功投入商业运营，对未来交直流配电网的设计运行作出了有益探索。下一步，国网冀北电力将把这一技术应用到服务冬奥的智能配网中，提高新能源的消纳水平，提高设备利用率，降低电网造价。