张北柔性变电站及交直流配电网科技示范工程的核心设备电力电子变压器。王续 摄
柔性变电站是电力电子和信息技术结合的产物。它以多功能电力电子变压器替代传统变电站中的变压器等一次设备，推动变电站关键设备由“多种设备组合”向“单一设备集成”方向发展，具有灵活组网和“一站多能”等优势。柔性变电站可满足分布式电源、新能源汽车、大数据中心等新兴负荷大规模接入对配电网提出的直流供电、高可靠性、高质量供电等要求。
作为交直流混合配电网的枢纽，柔性变电站关键技术和核心装备的突破，让人们看到了未来配电网的模样。
探索柔性变电站技术，推动源网荷融合发展
如今，全球能源正向清洁、低碳、电气化方向转型，分布式电源和储能技术快速发展，配电网逐步转变为有源系统。分布式电源的波动性和间歇性使配电网的潮流波动更加频繁和剧烈，配电网变电站的电压和潮流调节能力亟须提升。
在电网侧，随着城市现代化进程加快，城市电网电缆化率逐年提升，线路充电无功功率增大，电网高电压、谐波干扰等电能质量问题日益突出。改变传统的交流供电方式、探索发展直流配电网成为一种有效的技术解决途径。在负荷侧，数据中心、新能源汽车等新兴电力负荷通过多级电力电子变换后接入交流配网，环节多、系统复杂、效率低下。这就需要变电站配备直流接入端口，以减少设备投资、提升用能效率，避免给电能质量带来不利影响。
建设和发展交直流混合配电网，能够满足分布式发电、电网和新兴负荷等各方面诉求，推动“源-网-荷”融合发展。针对这一技术发展趋势，全球能源互联网研究院有限公司率先提出了“柔性变电站”的概念。
柔性变电站是以电力电子技术为核心，具备高度集成、高度灵活、高度兼容性特征的新一代变电站。与应用传统变电站相比，在交直流配电网中应用柔性变电站，以多功能电力电子变压器替代传统的变压器、断路器、无功补偿等一次设备，可实现“一站多能”，减少设备占地面积和维护成本；使变电站具备不同电压等级的交、直流接口，支持灵活组网和分布式能源即插即用；改变传统变电站潮流自然分配方式，实现潮流按需分配，提高配电网的灵活性；由换流阀实现故障快速隔离和系统恢复，减少停电损失；实现系统和用户的电能质量隔离，满足敏感用户的电压暂降抑制需求，保证优质供电。
柔性变电站具有柔性自愈、灵活高效等优势
柔性变电站技术具有技术原创、柔性自愈、灵活开放、智能高效四方面的特点。
●技术原创
柔性变电站的核心装备——电力电子变压器取得了5项技术突破，实现多端口一体化变压变换、直流故障隔离、端口间能量双向互济、交直流负荷高可靠供电4种功能，功率密度是现有技术的200%，大幅降低了设备成本和占地。
●柔性自愈
柔性变电站与交直流配网工程对未来配电网发展形态进行了大胆尝试，提出了基于柔性变电站的交直流配电网新理念，构建了成套设计的框架体系，设计了多种交直流配电网组网模式。工程发展完善了交直流配电网理论，攻克了“源-网-荷”协调优化控制和直流快速保护技术难题，实现了功率潮流的灵活调控、故障限流与自愈。
●灵活开放
电力电子变压器具有多个交直流端口，低压侧能同时提供直流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，丰富了用户对电能供应的自主选择权。
●智能高效
工程的技术创新推动了“源-网-荷”协调发展，为发电、电网、用户带来效益。先进的电网调度控制技术让配电网更加智能，能实现“源-网-荷”间的能量互补调剂，让光伏发电既能就地使用，又能在发电富余时保证全额上网消纳并不间断高可靠供电。领先的电子电力技术让电力系统更加高效。
已实现工程应用，未来发展前景广阔
柔性变电站在我国已实现工程应用。2018年8月，联研院与国网冀北电力、南瑞集团联合，建成世界首个全可控电力电子柔性变电站及交直流混合配电网工程——张北柔性变电站及交直流配电网科技示范工程。工程具有科技创新、新兴产业多元供电服务、清洁能源消纳、服务光伏扶贫等四大亮点。
工程建有10千伏柔性变电站一座，其核心的5兆瓦多功能电力电子变压器包含10千伏、380伏两个交流端口和±10千伏、750伏两个直流端口；建有10千伏光伏直流升压站一座，接入张北县德胜村亿利集团2.5兆瓦光伏扶贫电站，实现兆瓦级光伏发电直流升压并网，减少了变换环节，降低了损耗，以此形成包含“源-网-荷”元素的柔性交直流配电网。
工程还为阿里巴巴集团小二台数据中心提供了直流750伏及240伏、交流380伏等3种灵活的供电方式，提高光伏系统效率约2%，节省数据中心设备投资约1%，提升数据中心约10%的能效。截至9月30日，接入的光伏扶贫电站已累计发电704.6万千瓦时，创造收益739.83万元。工程已稳定运行22个月，经历了“双十一”和“双十二”购物节负荷考验；为用户节省设备投资700万元，用户能效提升10%；成功避免了4次相邻线路故障对用户的影响。
联研院将继续与国网冀北、河北电力合作，共同推进柔性变电站应用。今年年底，基于柔性变电站的张家口崇礼区多能互补微电网示范工程计划建成投运。该工程以柔性变电站设备为核心，涵盖风、光、储、新能源汽车多能源形式，将实现100%清洁能源供应和重要负荷高可靠供电，有效解决崇礼低碳奥运专区的供电难题，服务“绿色奥运”“低碳奥运”。
后续，柔性变电站将在河北邯郸应用，并被国网甘肃、天津电力和阿里巴巴列为未来数据中心供电的优选方案，对交直流配电网组网、数据中心高可靠高效供电、分布式光伏接入起到重要作用，具有广阔的应用前景。
