摘要：為解決某海島微網(wǎng)系統(tǒng)面臨的多能源發(fā)電單元易受外部故障解列及3倍次諧波自由傳遞導(dǎo)致系統(tǒng)電能質(zhì)量低下等問題，提出一種綜合電站出口增設(shè)隔離變壓器的一次系統(tǒng)改進(jìn)方案?；谠摵u微網(wǎng)的多能源結(jié)構(gòu)、海島環(huán)境、高可靠性要求等特殊應(yīng)用場景，闡述隔離變壓器方案，驗(yàn)證同步機(jī)組勵磁系統(tǒng)缺陷及新能源發(fā)電單元導(dǎo)致的諧波來源；配合應(yīng)用虛擬同步發(fā)電機(jī)的光伏蓄電池支路，通過系統(tǒng)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(fā)電單元隔離保護(hù)及系統(tǒng)電能質(zhì)量的提升效果有促進(jìn)作用。經(jīng)電磁暫態(tài)平臺PSCAD驗(yàn)證，新方案使發(fā)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(tǒng)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(bǔ)電網(wǎng)工程建設(shè)提供參考性方案。

關(guān)鍵詞：隔離變壓器；海島多能源微網(wǎng)；虛擬同步發(fā)電機(jī)；故障解裂；勵磁模型

中圖分類號：TM72 文獻(xiàn)標(biāo)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

HUANG Junhan1， YIN Jianhua2， MA Lihong3， ZHAO Jinquan1， HE Shaoyin1，

CHEN Pengyu1， LIU Fenghua1， SHI Jinzhi1

（1. School of Electrical Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 718000， China;

2. Electric Power Research Institute， China Southern Power Grid ， Guangzhou 510080， China;

3. Hainan Power Grid Co.[KG-*4]， Ltd.[KG-*4]， China Southern Power Grid， Haikou 570203， China）

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(fù)荷設(shè)備天然組成一個孤立的微網(wǎng)系統(tǒng)，相對大陸的高壓大電網(wǎng)而言，海島微網(wǎng)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(fù)雜、穩(wěn)定性差、電能質(zhì)量差、負(fù)荷波動大等問題。與此同時，國家發(fā)改委于2022年6月印發(fā)的《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)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(guān)海島，推進(jìn)多能互補(bǔ)電力系統(tǒng)示范工程。

本文針對某海島微網(wǎng)現(xiàn)存問題開展研究，具體內(nèi)容如下。

（1）系統(tǒng)應(yīng)對故障能力低下，表現(xiàn)在外部故障極易侵入發(fā)電單元組導(dǎo)致其解裂甚至損壞，以致海島微網(wǎng)系統(tǒng)全黑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近3年出現(xiàn)影響機(jī)組運(yùn)行的故障、缺陷共39臺次，包括電球、冷卻系統(tǒng)、軸承箱、蓄電池、勵磁系統(tǒng)、進(jìn)排氣、并機(jī)柜等設(shè)備或部件問題，其中電球絕緣降低等受三強(qiáng)、三高惡劣環(huán)境影響導(dǎo)致的故障、缺陷共18臺次，占比最高（46%），平均每年修理費(fèi)用高達(dá)446萬元。

（2）電能質(zhì)量低下，達(dá)20%的諧波含量在系統(tǒng)中自由傳遞，表現(xiàn)在柴油發(fā)電機(jī)繞組熱效應(yīng)加劇、電纜線路傳輸損耗加劇及分布式發(fā)電單元出力加劇。經(jīng)現(xiàn)場錄波分析，光伏等分布式發(fā)電單元及負(fù)荷端非線性不平衡負(fù)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(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)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(jié)構(gòu)采用凍結(jié)磁導(dǎo)率法研究勵磁繞組中電流對磁場分布的影響。進(jìn)一步計(jì)算勵磁系統(tǒng)與三次諧波繞組電壓的關(guān)系，利用傅里葉級數(shù)的形式，分析了感應(yīng)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(wǎng)綜合優(yōu)化方案，其具備傳統(tǒng)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(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、雷達(dá)站等孤立電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備的防雷措施［5-7］，少見其應(yīng)用于海島多能源微網(wǎng)。

首先，三相四線制隔離變壓器改變線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，依靠磁路隔離外部故障導(dǎo)致的過電壓，并將過電流經(jīng)隔離變壓器中性點(diǎn)泄放［7］。其中系統(tǒng)拓?fù)涓淖兛赡軐?dǎo)致的電源端故障測控裝置因零序電壓被隔離而無法準(zhǔn)確識別的問題，可采用隔離變壓器出線側(cè)安裝電壓互感器加以改進(jìn)［8-9］。隔離變壓器中性點(diǎn)接地方式實(shí)驗(yàn)參考某10 kV配電系統(tǒng)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(diǎn)保護(hù)整定值與配網(wǎng)線路繼保時延配合難的問題，使隔離變壓器保護(hù)和線路繼保正確配合。

其次，關(guān)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(fā)電機(jī)（VSG）控制中引入頻率和相角檢測廣義積分器鎖相環(huán)（DSOGI-PLL）技術(shù)［11］。文獻(xiàn)［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(zhì)量。近年最新研究開始探討在分布式新能源發(fā)電微網(wǎng)中增設(shè)隔離變壓器的作用，探討多種新能源配網(wǎng)系統(tǒng)交流母線隔離變壓器對系統(tǒng)故障暫態(tài)量、并離網(wǎng)暫態(tài)量、諧波量的作用［14-17］。

勵磁缺陷分析參考三峽發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)實(shí)例中的諧波及其變壓器損耗，分析非對稱條件下勵磁系統(tǒng)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(tǒng)建模［18］。分析勵磁電流基諧波對發(fā)電機(jī)變壓器勵磁功率關(guān)系、原副邊繞組諧波畸變率等參數(shù)［19-23］。最終通過與傳統(tǒng)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(wǎng)基本參數(shù)和計(jì)算方法由南方電網(wǎng)科學(xué)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(wǎng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量兩方面問題。經(jīng)電磁暫態(tài)平臺PSCAD驗(yàn)證，新方案使發(fā)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(wǎng)工程建設(shè)提供了一種參考性方案。

1 系統(tǒng)分析

1.1 海島微網(wǎng)結(jié)構(gòu)及特殊性分析

該海島微網(wǎng)主要組成部分包括柴油發(fā)電機(jī)組、電纜輸電線路、光伏蓄電池儲能系統(tǒng)、臺區(qū)變壓器、負(fù)荷等，如圖2所示。

海島綜合電站一次接線系統(tǒng)為10kV單母線三分段，并聯(lián)機(jī)組直接經(jīng)由發(fā)電廠母線上網(wǎng)，發(fā)電單元本體高次諧波未經(jīng)抑制便往配電網(wǎng)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(chǎn)生較高損耗，導(dǎo)致機(jī)組出力增大及熱效應(yīng)加劇，現(xiàn)有的應(yīng)對方法為多機(jī)間歇性運(yùn)行。

為設(shè)計(jì)針對故障應(yīng)對及諧波抑制的新方案，需考慮該海島微網(wǎng)應(yīng)用場景的特殊性。

（1）結(jié)構(gòu)特殊性。海島電站電氣一次部分接線型式導(dǎo)致饋網(wǎng)母線無中性點(diǎn)接口，未安裝也無法安裝小電流選線裝置，故線路開關(guān)無法準(zhǔn)確隔離線路單相接地故障，外部故障沖擊極易導(dǎo)致發(fā)電單元保護(hù)動作，嚴(yán)重則導(dǎo)致機(jī)組解列。因此，有必要研究是否可通過新方案完善系統(tǒng)一次接線，設(shè)置中性點(diǎn)實(shí)現(xiàn)故障選線和精確隔離。

（2）孤島特殊性。大陸電網(wǎng)發(fā)電機(jī)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(wǎng)中，為方便孤島系統(tǒng)故障重啟，往往采用發(fā)電機(jī)直接帶載。海島孤島微網(wǎng)解決故障解列和電能質(zhì)量問題的傳統(tǒng)方案是濾波器并配合改進(jìn)接地繼保算法，很少考慮到增設(shè)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(yōu)缺點(diǎn)分析。

（3）需求特殊性。民用10kV配網(wǎng)系統(tǒng)考慮到經(jīng)濟(jì)成本及足夠完善的繼保系統(tǒng)，很少額外應(yīng)用隔離變壓器，而海島軍民兩用系統(tǒng)關(guān)鍵負(fù)荷對不間斷可靠運(yùn)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(shè)隔離變壓器方案以取代傳統(tǒng)濾波器方案，理由如下。

（1）增設(shè)D/Y隔離變壓器滿足饋電母線增設(shè)中性點(diǎn)的要求，達(dá)到故障選線及精確隔離目的；（2）隔離變壓器實(shí)現(xiàn)發(fā)電單元與外部系統(tǒng)的電氣隔離，阻止外部故障沖擊侵入發(fā)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(shí)現(xiàn)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(tǒng)擴(kuò)建電容參數(shù)動態(tài)變化導(dǎo)致的諧振過電壓問題；（5）軍民兩用系統(tǒng)對工程造價相對不敏感。

1.3 故障應(yīng)對能力分析

現(xiàn)有系統(tǒng)基本不具備故障電壓支撐能力，電壓總畸變程度Htotal達(dá)11.75%，且3k次諧波畸變度達(dá)10.83%。隔離變壓器方案及傳統(tǒng)方案的故障應(yīng)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(shù)衡量。

1.4 諧波來源分析

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

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

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

行業(yè)與國家標(biāo)準(zhǔn)中并沒有明確凸極機(jī)系統(tǒng)諧波標(biāo)準(zhǔn)，僅有同步電機(jī)或隱極機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。本文參考微電網(wǎng)電能質(zhì)量和氣隙磁路更良好的隱極機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，即規(guī)定微網(wǎng)公共耦合點(diǎn)在發(fā)電機(jī)空載電壓和額定轉(zhuǎn)速下，電壓波形全畸變小于5%。然而，實(shí)際情況更加惡劣：①凸極機(jī)氣隙情況差于隱極機(jī)，制造工藝引入3k次諧波；②電機(jī)帶載運(yùn)行（非線性不平衡負(fù)載）導(dǎo)致極化磁場增大，電樞反應(yīng)增強(qiáng)，加劇了漏磁、磁飽和、磁場畸變等效應(yīng)；③海島電纜線路分布電容諧波耗散效應(yīng)，導(dǎo)致綜合電站出口諧波含量高于公共耦合點(diǎn)。以上因素支撐現(xiàn)場0.2%諧波缺陷觀測結(jié)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(jī)組微網(wǎng)，于綜合電站出口處（電纜線路首端之前）設(shè)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(tǒng)形成有效電氣隔離，形成廠站發(fā)電側(cè)系統(tǒng)（并機(jī)母線）及外部饋電配電網(wǎng)系統(tǒng)（饋電母線）。依靠磁路充分隔斷來自外部系統(tǒng)非對稱故障對綜合電站中性點(diǎn)的故障沖擊，零序電流改從隔離變壓器中性點(diǎn)泄放。

（2）綜合電站出口處隔離變壓器三角形繞組，將發(fā)電側(cè)系統(tǒng)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(fù)荷及電力電子設(shè)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(fā)電機(jī)技術(shù)，如圖4所示。海島分布式光伏蓄電池發(fā)電單元及后續(xù)風(fēng)能、潮汐能等分布式系統(tǒng)是當(dāng)下海島多能源工程主要發(fā)展方向，其中含大量電力電子器件，比機(jī)械機(jī)組有更復(fù)雜的諧波成分、更小的慣性和阻尼系數(shù)，因此引入VSG以增加海島微網(wǎng)整體穩(wěn)定性。VSG控制最大優(yōu)勢是使光伏蓄電池支路外特性等效為同步發(fā)電機(jī)，虛擬同步并網(wǎng)電機(jī)參數(shù)方程為

式中：Pm為機(jī)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(zhuǎn)動慣量；D為阻尼系數(shù)；Qm為實(shí)際無功功率；Q0為額定無功功率；E為實(shí)際輸出電壓；E0為額定輸出電壓；kq為無功下垂比例系數(shù)；vd、vq分別為功率采樣點(diǎn)電壓的dq軸分量；id、iq分別為功率采樣點(diǎn)電流的dq軸分量。

基于綜合電站輸出母線參數(shù)采樣，實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電單元與柴油發(fā)電機(jī)組的同步互補(bǔ)運(yùn)行。令δ為dq坐標(biāo)軸下虛擬同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓與公共耦合點(diǎn)電壓的電角度差值，經(jīng)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(biāo)系下的傳遞框圖如圖5所示，其中直軸交軸參考電壓方程

3 海島微網(wǎng)綜合改造

3.1 模型建立與諧波來源驗(yàn)證

基于1.1節(jié)中海島微網(wǎng)結(jié)構(gòu)建立電磁暫態(tài)仿真模型如圖6所示，包含同步發(fā)電機(jī)、隔離變壓器、光伏蓄電池系統(tǒng)、電纜線路、臺區(qū)變壓器、故障邏輯及三相負(fù)荷等。由表1可以看出：參數(shù)設(shè)置包括凸極轉(zhuǎn)子定子設(shè)置和勵磁系統(tǒng)設(shè)置、電纜參數(shù)、非線性運(yùn)行的負(fù)荷模擬參數(shù)。參數(shù)參考該島多機(jī)組間歇性運(yùn)行情況和2022年最大民用負(fù)荷值。

同步電機(jī)模型見圖7，由等效12缸、二沖程或四沖程內(nèi)燃機(jī)原動機(jī)，由勵磁系統(tǒng)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩模塊、內(nèi)燃機(jī)模塊等部件組成。內(nèi)燃機(jī)原動機(jī)設(shè)置軸燃料系數(shù)FL，通過轉(zhuǎn)速w反饋控制輸出機(jī)械軸轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩模塊通過電磁轉(zhuǎn)矩Te和機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm控制轉(zhuǎn)速w。

基于電磁暫態(tài)仿真平臺PSCAD驗(yàn)證勵磁系統(tǒng)缺陷。設(shè)置動態(tài)傳遞函數(shù)模擬的交流勵磁系統(tǒng)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(jī)終端三相電壓VT、終端電流IT皆為基于采樣的復(fù)數(shù)量，實(shí)部同相，虛部正交；基于電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS1A的勵磁機(jī)電壓穩(wěn)定信號VS；同步發(fā)電機(jī)參考電壓Vref。輸出量：勵磁系統(tǒng)計(jì)算得到的同步發(fā)電機(jī)勵磁電壓Ef及同步發(fā)電機(jī)參考電壓初始值Vref0。

勵磁系統(tǒng)電壓信號（電機(jī)輸出電壓參考值Vref、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器調(diào)節(jié)量VS、終端電壓傳感器及負(fù)載補(bǔ)償元件調(diào)節(jié)量VC和勵磁系統(tǒng)穩(wěn)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(huán)節(jié)，輸出電壓調(diào)節(jié)器輸出信號VR，如圖8所示。在排除勵磁機(jī)磁場電流感應(yīng)信號VFE干擾后積分得到勵磁器電壓信號VE，結(jié)合勵磁器負(fù)載程度，最終輸出勵磁電壓Ef，VE、Ef公式如下

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

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

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

如圖9所示，基于上述勵磁缺陷復(fù)現(xiàn)綜合電站出口處三次諧波電流與基波電流有效值分別達(dá)24.06A和167.90A，比值達(dá)14.33%。表明凸極同步電機(jī)高負(fù)載運(yùn)行與勵磁器高飽和程度加劇勵磁缺陷，導(dǎo)致綜合電站出口處諧波含量過高，印證諧波含量達(dá)20%的現(xiàn)象，符合現(xiàn)場故障錄波結(jié)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(tǒng)拓?fù)?，外部故障零序分量流?jīng)隔離變壓器中性點(diǎn)，從而隔離發(fā)電單元中性點(diǎn)，阻止其電位偏移，基本隔絕對地電流。通過新舊方案對比實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)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(fā)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(xiàn)7.78kV過電壓峰值，隔離變壓器方案電壓支撐能力優(yōu)于傳統(tǒng)濾波器方案。

（2）故障零序分量隔離。新舊方案下，電站出口電壓各相序分量波形如圖12所示，不平衡度量化值如表3所示。

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(nèi)；②故障條件下，隔離變壓器可以完全隔離非對稱故障導(dǎo)致的零序分量，阻止零序保護(hù)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(kuò)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(yōu)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(diǎn)接地方式影響。設(shè)置隔離變壓器中性點(diǎn)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(diǎn)對地電流的大小呈負(fù)相關(guān)，該島實(shí)際采用4.0Ω接地方式，此時電流峰值達(dá)0.87kA，需要進(jìn)行線路繼保整定配合；大阻抗接地會導(dǎo)致泄放電流過小，隔離變壓器中性點(diǎn)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(tǒng)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(tǒng)方案的效果（80.94%）。

（2）故障諧波。上述提到系統(tǒng)諧波是同步機(jī)勵磁、電力電子非線性元件和不平衡負(fù)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(fā)生外部故障繼保動作時，外部系統(tǒng)向機(jī)組傳遞諧波出現(xiàn)兩個明顯峰值為0.52s（Htotal=33.22%）、0.62s（Htotal=67.56%），經(jīng)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(dá)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(tǒng)發(fā)生故障或負(fù)載諧波頻譜變化較大時效果不佳，并可能引發(fā)諧振過電壓，其可靠性低于隔離變壓器方案。

4 結(jié) 論

本文基于海島多能源微網(wǎng)系統(tǒng)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(yīng)對方案，通過電磁暫態(tài)平臺PSCAD量化效果。新舊方案的對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，隔離變壓器方案使發(fā)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(yōu)勢如下。

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

（2）濾除勵磁缺陷和故障引發(fā)的高次諧波，抑制高次諧波在系統(tǒng)中的自由傳遞，降低發(fā)電機(jī)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(cè)增設(shè)有效中性點(diǎn)接地點(diǎn)，滿足小電組接地保護(hù)及故障選線裝置安裝條件，實(shí)現(xiàn)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(shè)備參數(shù)動態(tài)變化與電機(jī)繞組形成串聯(lián)諧振引發(fā)的過電壓問題。

（5）有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、維護(hù)、擴(kuò)展以及解決其他系統(tǒng)性問題，如緩解海島夜間輕負(fù)荷或容性負(fù)荷導(dǎo)致發(fā)電支路進(jìn)相運(yùn)行易失穩(wěn)問題。

同時，海島電網(wǎng)工程建設(shè)需要全方面考慮投資、地理、工程等實(shí)際因素限制，增設(shè)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(shè)備，需要維護(hù)保養(yǎng)，防止新增設(shè)備和系統(tǒng)拓?fù)涓淖兘o海島微網(wǎng)增加新的嚴(yán)重問題。

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

（3）需要安裝新設(shè)備、增加投入，提高工程造價，增加占地面積。

綜合上述優(yōu)缺點(diǎn)，針對該海島多能源微網(wǎng)實(shí)例，相對傳統(tǒng)濾波器方案，隔離變壓器方案最大優(yōu)勢即最大創(chuàng)新點(diǎn)在于，完全隔絕外部故障零序分量對多能源發(fā)電單元的沖擊，以及從勵磁缺陷根源解決微網(wǎng)諧波自由傳遞問題，該案例對推進(jìn)同類海島的多能互補(bǔ)工程具有參考意義。

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（編輯 杜秀杰）

收稿日期：2023-05-07。

作者簡介：黃俊翰（1999—），男，碩士生；趙進(jìn)全（通信作者），男，教授。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52007139）。

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2023-11-30網(wǎng)絡(luò)出版地址：https：∥link.cnki.net/urlid/61.1069.T.20231129.1608.008