海島多能源微網故障免疫及諧波濾除的隔離變壓器方案

摘要：為解決某海島微網系統面臨的多能源發電單元易受外部故障解列及3倍次諧波自由傳遞導致系統電能質量低下等問題，提出一種綜合電站出口增設隔離變壓器的一次系統改進方案。基于該海島微網的多能源結構、海島環境、高可靠性要求等特殊應用場景，闡述隔離變壓器方案，驗證同步機組勵磁系統缺陷及新能源發電單元導致的諧波來源；配合應用虛擬同步發電機的光伏蓄電池支路，通過系統故障電壓支撐能力、三相/零序不平衡度及諧波畸變率量化隔離變壓器方案，對發電單元隔離保護及系統電能質量的提升效果有促進作用。經電磁暫態平臺PSCAD驗證，新方案使發電單元免疫外部故障零序沖擊，綜合電站出口處電壓支撐能力提高了52.44%，畸變度降低了78.04%，基本完全濾除占比14.33%的勵磁缺陷諧波電流，具備傳統濾波器方案不具備的故障免疫及諧振過電壓抑制作用，為海島多能互補電網工程建設提供參考性方案。

關鍵詞：隔離變壓器；海島多能源微網；虛擬同步發電機；故障解裂；勵磁模型

中圖分類號：TM72 文獻標志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202403020 文章編號：0253-987X（2024）03-0212-11

Research on an Isolation Transformer Solution for Fault Immunity and Harmonic Filtering in an Island

Multi-Energy Microgrid

Abstract：To address the challenges faced by island microgrid system， such as the vulnerability of multi-source power generation units to external faults and the free transmission of triplen harmonics leading to poor power quality， this paper proposes a primary system improvement solution involving the installation of an isolation transformer at the power station’s point of common coupling （PCC）. This paper elaborates on the new isolation transformer solution based on the island microgrid’s unique characteristics， including its multi-energy structure， island environment， and high reliability requirements. It also verifies the sources of harmonics resulting from defects in the excitation system of synchronous generators and the new energy generation units. Furthermore， in conjunction with the application of virtual synchronous generator （VSG） technology in a photovoltaic battery branch， this study quantifies the effects of the isolation transformer solution on the isolation protection of generation units and the enhancement of system power quality， with the system’s fault voltage support capability， three-phase/zero-sequence imbalance， and harmonic distortion rate. Lastly， the new solution is validated using the electromagnetic transient platform PSCAD. The results show that the solution provides immunity for generation units against external fault zero-sequence impacts. It also enhances the voltage support capability at the power station’s PCC by 52.44%， reduces distortion by 78.04%， and effectively eliminates 14.33% of harmonic currents associated with defects in the excitation system. This solution offers fault immunity and suppresses resonance-induced overvoltage， which cannot be achieved using conventional filter solutions. It provides valuable insights for the construction of island-based multi-energy complementary grids.

Keywords：isolation transformer; island multi-energy micro-grid; virtual synchronous generator; fault disaggregation; excitation model

海島上的電源-儲能-負荷設備天然組成一個孤立的微網系統，相對大陸的高壓大電網而言，海島微網受到自然條件、投資、工程等方面更多的限制，并存在電能來源復雜、穩定性差、電能質量差、負荷波動大等問題。與此同時，國家發改委于2022年6月印發的《“十四五”可再生能源發展規劃》中，特別提到對于有電力需求、可再生能源資源豐富的相關海島，推進多能互補電力系統示范工程。

本文針對某海島微網現存問題開展研究，具體內容如下。

（1）系統應對故障能力低下，表現在外部故障極易侵入發電單元組導致其解裂甚至損壞，以致海島微網系統全黑。據統計，近3年出現影響機組運行的故障、缺陷共39臺次，包括電球、冷卻系統、軸承箱、蓄電池、勵磁系統、進排氣、并機柜等設備或部件問題，其中電球絕緣降低等受三強、三高惡劣環境影響導致的故障、缺陷共18臺次，占比最高（46%），平均每年修理費用高達446萬元。

（2）電能質量低下，達20%的諧波含量在系統中自由傳遞，表現在柴油發電機繞組熱效應加劇、電纜線路傳輸損耗加劇及分布式發電單元出力加劇。經現場錄波分析，光伏等分布式發電單元及負荷端非線性不平衡負荷是固有諧波來源［1-2］；3k次諧波占總諧波比例較高，如圖1所示，柴油發電機組勵磁系統缺陷是其主要來源。勵磁磁通曲線中可分解出基波與諧波分量，基于氣隙結構采用凍結磁導率法研究勵磁繞組中電流對磁場分布的影響。進一步計算勵磁系統與三次諧波繞組電壓的關系，利用傅里葉級數的形式，分析了感應線圈中電流的諧波含量［3-4］。

針對上述問題，提出基于隔離變壓器（IT）的海島微網綜合優化方案，其具備傳統濾波器方案不具備的隔離故障沖擊與耗散諧波作用。隔離變壓器是應用于數據中心、雷達站等孤立電網關鍵設備的防雷措施［5-7］，少見其應用于海島多能源微網。

首先，三相四線制隔離變壓器改變線路拓撲結構，依靠磁路隔離外部故障導致的過電壓，并將過電流經隔離變壓器中性點泄放［7］。其中系統拓撲改變可能導致的電源端故障測控裝置因零序電壓被隔離而無法準確識別的問題，可采用隔離變壓器出線側安裝電壓互感器加以改進［8-9］。隔離變壓器中性點接地方式實驗參考某10 kV配電系統變壓器的接地故障起火案例［10］，即解決新增隔離變壓器中性點保護整定值與配網線路繼保時延配合難的問題，使隔離變壓器保護和線路繼保正確配合。

其次，關于隔離變壓器方案新能源支路電流不平衡問題，于虛擬同步發電機（VSG）控制中引入頻率和相角檢測廣義積分器鎖相環（DSOGI-PLL）技術［11］。文獻［12-13］忽略隔離變壓器具備的消耗諧波，減小了畸變，改善了電能質量。近年最新研究開始探討在分布式新能源發電微網中增設隔離變壓器的作用，探討多種新能源配網系統交流母線隔離變壓器對系統故障暫態量、并離網暫態量、諧波量的作用［14-17］。

勵磁缺陷分析參考三峽發電機勵磁系統實例中的諧波及其變壓器損耗，分析非對稱條件下勵磁系統電流與繞組渦流損耗，闡述包含勵磁繞組控制信號的勵磁系統建模［18］。分析勵磁電流基諧波對發電機變壓器勵磁功率關系、原副邊繞組諧波畸變率等參數［19-23］。最終通過與傳統濾波器方案對比，得到隔離變壓器方案在電壓支撐、諧波濾除及降低不平衡度等方面的效果［24-27］。

本文海島微網基本參數和計算方法由南方電網科學研究院與海南能源院提供，所提出的隔離變壓器方案可解決多能源海島微網穩定性和電能質量兩方面問題。經電磁暫態平臺PSCAD驗證，新方案使發電單元免疫外部故障零序沖擊，綜合電站出口處電壓支撐能力提高了52.44%，畸變度降低了78.04%，基本完全濾除占比14.33%的勵磁缺陷諧波電流，為海島電網工程建設提供了一種參考性方案。

1 系統分析

1.1 海島微網結構及特殊性分析

該海島微網主要組成部分包括柴油發電機組、電纜輸電線路、光伏蓄電池儲能系統、臺區變壓器、負荷等，如圖2所示。

海島綜合電站一次接線系統為10kV單母線三分段，并聯機組直接經由發電廠母線上網，發電單元本體高次諧波未經抑制便往配電網輸送，其配電線路均為電纜線路。高次諧波在分布電容作用下產生較高損耗，導致機組出力增大及熱效應加劇，現有的應對方法為多機間歇性運行。

為設計針對故障應對及諧波抑制的新方案，需考慮該海島微網應用場景的特殊性。

（1）結構特殊性。海島電站電氣一次部分接線型式導致饋網母線無中性點接口，未安裝也無法安裝小電流選線裝置，故線路開關無法準確隔離線路單相接地故障，外部故障沖擊極易導致發電單元保護動作，嚴重則導致機組解列。因此，有必要研究是否可通過新方案完善系統一次接線，設置中性點實現故障選線和精確隔離。

（2）孤島特殊性。大陸電網發電機出口自帶三角形/星形（D/Y）升壓變，本身具備隔離作用，然而海島電網中，為方便孤島系統故障重啟，往往采用發電機直接帶載。海島孤島微網解決故障解列和電能質量問題的傳統方案是濾波器并配合改進接地繼保算法，很少考慮到增設隔離變壓器方案，新舊方案缺少對比研究，缺少效果量化和優缺點分析。

（3）需求特殊性。民用10kV配網系統考慮到經濟成本及足夠完善的繼保系統，很少額外應用隔離變壓器，而海島軍民兩用系統關鍵負荷對不間斷可靠運行提出更高要求，凸顯隔離變壓器方案必要性。

1.2 隔離變壓器方案適用性分析

基于上述特殊性，提出增設隔離變壓器方案以取代傳統濾波器方案，理由如下。

（1）增設D/Y隔離變壓器滿足饋電母線增設中性點的要求，達到故障選線及精確隔離目的；（2）隔離變壓器實現發電單元與外部系統的電氣隔離，阻止外部故障沖擊侵入發電單元，濾波器方案不具備該作用；（3）隔離變壓器三角形繞組可代替濾波回路實現3k次諧波濾除作用；（4）隔離變壓器方案不存在濾波器方案因海島外部系統擴建電容參數動態變化導致的諧振過電壓問題；（5）軍民兩用系統對工程造價相對不敏感。

1.3 故障應對能力分析

現有系統基本不具備故障電壓支撐能力，電壓總畸變程度Htotal達11.75%，且3k次諧波畸變度達10.83%。隔離變壓器方案及傳統方案的故障應對能力通過故障下電壓支撐能力、零序/三相不平衡度、總諧波畸變率等參數衡量。

（1）電壓支撐能力

式中：UDrop為故障電壓跌落值；U為電壓有效值。

（2）零序/三相不平衡度

式中：U0、U+、U－分別為零序、正序、負序電壓有效值。計算零序不平衡度，即令U－=0。

（3）總諧波畸變率

式中：Hi為i次諧波畸變值。

1.4 諧波來源分析

海島微網電能質量問題表現在諧波含量過大，3k次諧波占比可達10%～20%，同幅值諧波對繞組的熱效應達3k倍，且高頻諧波易消散于電纜線路對地分布電容，造成機組出力加劇。

針對島上現安裝的卡特公司某型號凸極同步電機，其勵磁磁勢空間分布呈矩形，氣隙磁密Bδ 為

式中：Φ為每極磁通，根據給定的繞組感應電動勢確定；τ為極距；α′p為極孤系數；lef為電樞計算長度。因此，氣隙磁壓降定量分析在于計算極弧系數α′p、電樞計算長度lef和氣隙系數Kδ。

為減小勵磁產生的高次諧波分量，一般通過改變電機極距使氣隙磁密盡可能接近正弦分布

即

式中：p為極弧長度，取（0.55～0.75）τ。凸極機氣隙磁場波形曲線α′p=f（p/τ）通過現場錄波確定。

另一諧波來源是光伏蓄電池系統，采用VSG控制，整體外特性與同步電機類似，但其等效主電路和勵磁電路傳遞特性由控制參數確定。

行業與國家標準中并沒有明確凸極機系統諧波標準，僅有同步電機或隱極機相關標準。本文參考微電網電能質量和氣隙磁路更良好的隱極機標準，即規定微網公共耦合點在發電機空載電壓和額定轉速下，電壓波形全畸變小于5%。然而，實際情況更加惡劣：①凸極機氣隙情況差于隱極機，制造工藝引入3k次諧波；②電機帶載運行（非線性不平衡負載）導致極化磁場增大，電樞反應增強，加劇了漏磁、磁飽和、磁場畸變等效應；③海島電纜線路分布電容諧波耗散效應，導致綜合電站出口諧波含量高于公共耦合點。以上因素支撐現場0.2%諧波缺陷觀測結果。

2 隔離變壓器方案

2.1 故障免疫及諧波濾除方案

海島10kV多能源多機組微網，于綜合電站出口處（電纜線路首端之前）設置隔離變壓器，改造方案如圖3所示。隔離變壓器方案效果如下。

（1）綜合電站與外部系統形成有效電氣隔離，形成廠站發電側系統（并機母線）及外部饋電配電網系統（饋電母線）。依靠磁路充分隔斷來自外部系統非對稱故障對綜合電站中性點的故障沖擊，零序電流改從隔離變壓器中性點泄放。

（2）綜合電站出口處隔離變壓器三角形繞組，將發電側系統3k次諧波電流以渦流形式損耗在隔離變壓器中，并隔斷外部不平衡負荷及電力電子設備固有諧波侵入綜合電站。

2.2 新能源支路接口隔離變壓器方案

新能源支路采用與隔離變壓器配合的虛擬同步發電機技術，如圖4所示。海島分布式光伏蓄電池發電單元及后續風能、潮汐能等分布式系統是當下海島多能源工程主要發展方向，其中含大量電力電子器件，比機械機組有更復雜的諧波成分、更小的慣性和阻尼系數，因此引入VSG以增加海島微網整體穩定性。VSG控制最大優勢是使光伏蓄電池支路外特性等效為同步發電機，虛擬同步并網電機參數方程為

kq（Q0-Qm）+E0=E（8）

Pe=vdid+vqiq（9）

式中：Pm為機械功率；Pe為電磁功率；ω為電角頻率；ω0為額定電角頻率；J為轉動慣量；D為阻尼系數；Qm為實際無功功率；Q0為額定無功功率；E為實際輸出電壓；E0為額定輸出電壓；kq為無功下垂比例系數；vd、vq分別為功率采樣點電壓的dq軸分量；id、iq分別為功率采樣點電流的dq軸分量。

積分電角度θ用于鎖相環和坐標變換，變換公式如下

基于綜合電站輸出母線參數采樣，實現新能源發電單元與柴油發電機組的同步互補運行。令δ為dq坐標軸下虛擬同步發電機機端電壓與公共耦合點電壓的電角度差值，經過電阻R、電抗X的線路傳遞至綜合電站出口母線，輸出電磁功率Pe為

可得新能源虛擬同步dq坐標系下的傳遞框圖如圖5所示，其中直軸交軸參考電壓方程

式中：kp、ki分別為比例系數、積分系數；id，ref、iq，ref分別為功率采樣點電壓的dq軸分量參考值；L為逆變器出口濾波器電感。

3 海島微網綜合改造

3.1 模型建立與諧波來源驗證

基于1.1節中海島微網結構建立電磁暫態仿真模型如圖6所示，包含同步發電機、隔離變壓器、光伏蓄電池系統、電纜線路、臺區變壓器、故障邏輯及三相負荷等。由表1可以看出：參數設置包括凸極轉子定子設置和勵磁系統設置、電纜參數、非線性運行的負荷模擬參數。參數參考該島多機組間歇性運行情況和2022年最大民用負荷值。

同步電機模型見圖7，由等效12缸、二沖程或四沖程內燃機原動機，由勵磁系統、電力系統穩定器、轉軸轉矩模塊、內燃機模塊等部件組成。內燃機原動機設置軸燃料系數FL，通過轉速w反饋控制輸出機械軸轉矩，發電機轉軸轉矩模塊通過電磁轉矩Te和機械轉矩Tm控制轉速w。

基于電磁暫態仿真平臺PSCAD驗證勵磁系統缺陷。設置動態傳遞函數模擬的交流勵磁系統整流勵磁器AC1A包含輸入輸出量。

輸入量：輸出勵磁電壓初始值Ef0；同步機終端三相電壓VT、終端電流IT皆為基于采樣的復數量，實部同相，虛部正交；基于電力系統穩定器PSS1A的勵磁機電壓穩定信號VS；同步發電機參考電壓Vref。輸出量：勵磁系統計算得到的同步發電機勵磁電壓Ef及同步發電機參考電壓初始值Vref0。

勵磁系統電壓信號（電機輸出電壓參考值Vref、電力系統穩定器調節量VS、終端電壓傳感器及負載補償元件調節量VC和勵磁系統穩定器輸出電壓VF等）通過比例微分、慣性、限幅、防止過勵磁或欠勵磁等環節，輸出電壓調節器輸出信號VR，如圖8所示。在排除勵磁機磁場電流感應信號VFE干擾后積分得到勵磁器電壓信號VE，結合勵磁器負載程度，最終輸出勵磁電壓Ef，VE、Ef公式如下

VE=∫VR-VFE（13）

式中：FE為整流器負載系數；IN為歸一化的勵磁電流；Xf為同步電機勵磁整流電抗；If為勵磁電流；該式表明勵磁電壓與負載情況有關。

此外，同步電機的諧波量與勵磁的飽和度密切相關，由飽和度函數SE（VE）量化，以此計算勵磁系統反饋量VFE，勵磁機磁場電流成正比的信號為

VFE=IfKI+VEKE+VESE（VE）（15）

式中：KI為勵磁電流系數；KE為勵磁器磁場常數。式（15）表明勵磁系統反饋量VFE與勵磁電流、電壓及其飽和程度有關。

如圖9所示，基于上述勵磁缺陷復現綜合電站出口處三次諧波電流與基波電流有效值分別達24.06A和167.90A，比值達14.33%。表明凸極同步電機高負載運行與勵磁器高飽和程度加劇勵磁缺陷，導致綜合電站出口處諧波含量過高，印證諧波含量達20%的現象，符合現場故障錄波結果。

3.2 隔離變壓器故障免疫效果

隔離變壓器方案改變系統拓撲，外部故障零序分量流經隔離變壓器中性點，從而隔離發電單元中性點，阻止其電位偏移，基本隔絕對地電流。通過新舊方案對比實驗，重點觀測電站出口處電壓波動、零序分量隔離效果及零序電流在各種接地方式下的效果。

（1）電壓支撐能力。觀測不同方案下電站出口電壓支撐能力，量化值如表2所示，基波、諧波波形如圖10所示。

由表2可以看出：與原有方案對比，隔離變壓器方案不影響電壓基波幅值；隔離變壓器方案使故障時間段的電壓跌落值從0提高到3.22kV，電壓支撐能力從0提高至52.44%，可見故障對發電單元沖擊明顯降低。

隔離變壓器方案與濾波器方案電壓支撐波形如圖11所示。由圖11可見，濾波器方案在故障條件下的電壓支撐能力基本為0，甚至在故障切除電壓回升過程中出現7.78kV過電壓峰值，隔離變壓器方案電壓支撐能力優于傳統濾波器方案。

由表3可以看出：①非故障條件下，兩種方案零序和三相不平衡度均在合理范圍內；②故障條件下，隔離變壓器可以完全隔離非對稱故障導致的零序分量，阻止零序保護跳閘；③濾波器方案對故障零序分量沒有隔離作用。

兩種方案零序/三相不平衡度如圖13所示。該波形將表3不平衡度量化值擴展到該時間段的變化，表明隔離變壓器方案比濾波器方案有更優的零序分量隔離效果，零序不平衡度基本降至0，三相不平衡度降低45%。

（3）中性點接地方式影響。設置隔離變壓器中性點不同接地方式，觀測其對地電流波形如圖14所示，幅值如表4所示。

由表4可以看出：接地電阻與隔離變壓器中性點對地電流的大小呈負相關，該島實際采用4.0Ω接地方式，此時電流峰值達0.87kA，需要進行線路繼保整定配合；大阻抗接地會導致泄放電流過小，隔離變壓器中性點與繞組之間的絕緣壓力變大。

3.3 隔離變壓器諧波濾除效果

（1）電壓畸變程度。隔離變壓器方案及對比方案的三相電壓波形如圖15所示，隔離變壓器方案（Htotal=2.58%）與濾波器方案（Htotal=2.24%）均能極大改善原系統電壓畸變程度（Htotal=11.75%），新方案降低畸變比例效果（78.04%）不遜色于傳統方案的效果（80.94%）。

（2）故障諧波。上述提到系統諧波是同步機勵磁、電力電子非線性元件和不平衡負荷綜合作用，觀測隔離變壓器首末端總諧波含量如圖16所示，特別是發生外部故障繼保動作時，外部系統向機組傳遞諧波出現兩個明顯峰值為0.52s（Htotal=33.22%）、0.62s（Htotal=67.56%），經隔離變壓器后總諧波畸變率分別降低至13.79%、34.66%，諧波峰值降低比例達58.49%、48.70%。

兩種方案單相故障下三相電壓波形如圖17所示。濾波器方案往往針對特定頻率諧波，在系統發生故障或負載諧波頻譜變化較大時效果不佳，并可能引發諧振過電壓，其可靠性低于隔離變壓器方案。

4 結 論

本文基于海島多能源微網系統中面臨的故障解列及諧波含量過高問題，提出基于隔離變壓器的綜合應對方案，通過電磁暫態平臺PSCAD量化效果。新舊方案的對比實驗驗證表明，隔離變壓器方案使發電單元免疫外部故障零序沖擊，綜合電站出口處電壓支撐能力提高52.44%，畸變度降低78.04%，基本完全濾除占比14.33%的勵磁缺陷諧波電流，得出隔離變壓器方案的主要優勢如下。

（1）為發電單元提供良好的電氣隔離，阻隔外部系統非對稱故障零序電流侵入發電單元中性點，杜絕外部系統故障導致發電單元越級跳閘以及因中性點電壓嚴重偏移引起發電端設備絕緣損壞。

（2）濾除勵磁缺陷和故障引發的高次諧波，抑制高次諧波在系統中的自由傳遞，降低發電機繞組溫升及減少損耗，改善電壓畸變度與不平衡度。

（3）在饋電母線側增設有效中性點接地點，滿足小電組接地保護及故障選線裝置安裝條件，實現精確隔離目的。

（4）與濾波器方案相比，隔離變壓器方案杜絕了因SVG、電纜饋線、濾波器等外部容性設備參數動態變化與電機繞組形成串聯諧振引發的過電壓問題。

（5）有利于系統穩定運行、維護、擴展以及解決其他系統性問題，如緩解海島夜間輕負荷或容性負荷導致發電支路進相運行易失穩問題。

同時，海島電網工程建設需要全方面考慮投資、地理、工程等實際因素限制，增設隔離變壓器方案的不足如下。

（1）隔離變壓器本身作為電力設備，需要維護保養，防止新增設備和系統拓撲改變給海島微網增加新的嚴重問題。

（2）由于故障電流由隔離變壓器星型中性點泄放，需要結合實地情況完善考慮接地方式。

（3）需要安裝新設備、增加投入，提高工程造價，增加占地面積。

綜合上述優缺點，針對該海島多能源微網實例，相對傳統濾波器方案，隔離變壓器方案最大優勢即最大創新點在于，完全隔絕外部故障零序分量對多能源發電單元的沖擊，以及從勵磁缺陷根源解決微網諧波自由傳遞問題，該案例對推進同類海島的多能互補工程具有參考意義。

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