南京航空航天大學科研團隊提出M3C四端口導納建模方法及海上風電低頻送出系統高頻振蕩抑制策略

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導語

隨著我國“碳達峰·碳中和”目標的穩步推進，基于模塊化多電平矩陣變換器（M3C）的低頻輸電方案備受關注。由于M3C本身結構和控制環路較為復雜，多工況穩定性分析與設計較為困難。

南京航空航天大學自動化學院陳鵬偉、李昊鍵、陳杰聯合中國電力科學研究院劉宗燁、徐云飛，建立了M3C四端口導納模型，并通過阻抗集成分析了海上風電低頻送出系統中關鍵參數對高頻振蕩特性的影響，進而提出了基于虛擬阻感支路的附加控制策略與考慮風電場阻抗寬范圍分布的參數設計方法，為海上風電的安全送出提供了理論支撐與工程解決方案。

研究背景

基于M3C的低頻輸電方案因其輸電容量及工程經濟性在遠海風電送出場景中擁有巨大潛力，但M3C作為電壓源型換流器，在電流矢量控制下高頻段存在負阻特性，使得系統存在高頻振蕩風險。此外，M3C存在輸入、輸出控制及環流控制等多個控制環路，模型復雜度與準確度間的矛盾極為突出，嚴重阻礙了基于阻抗法的穩定性分析與致穩設計。

對于海上風電低頻送出系統(圖1)，以風電機組和海纜為核心的低頻側系統、工頻交流電網均存在多種工況，阻抗特性復雜，發生高頻振蕩的風險會更為突出，但目前針對性的研究卻相對較少，機理尚未完全明晰。

圖1 海上風電低頻送出系統基本架構

論文所解決的問題及意義

為明確海上風電低頻送出系統潛在的高頻振蕩現象及機理，本文首先建立了M3C四端口導納模型，并在保持端口自導納特性的約束下，給出了基于平均曼哈頓距離描述的降階處理過程。其次，結合風電場單機等值和M3C四端口降階導納模型，通過阻抗集成分析了海上風電低頻送出系統低頻海纜長度、M3C橋臂電感、控制延時等關鍵參數對高頻振蕩特性的影響，并提出了基于虛擬阻感支路的附加控制策略與考慮風電場阻抗寬范圍分布的參數設計方法。

論文方法及創新點

1、M3C四端口導納建模與降階處理

為了便于M3C小信號模型與兩側系統的集成，研究團隊建立了四端口形式的M3C小信號模型(圖2)。并在保持端口自導納特性的約束下基于平均曼哈頓進行了降階處理，圖3展示了M3C低頻側掃頻及降階結果。

圖2 M3C四端口小信號框圖

圖3 M3C低頻側掃頻及降階結果

2、海上風電低頻送出系統高頻振蕩機理分析

基于M3C四端口導納降階模型，團隊通過阻抗集成分析了海上風電低頻送出系統中關鍵參數對高頻振蕩特性影響。研究表明，高頻振蕩的分布特征受低頻海纜參數影響(圖4)最為直接，另外M3C橋臂電感及控制參數(圖5)也對高頻振蕩存在較大影響。

圖4 不同低頻海纜長度下阻抗交截情況

圖5 不同控制參數下阻抗交截情況

3、基于虛擬阻感支路的高頻振蕩抑制策略及參數設計

針對海上風電低頻送出系統存在的高頻振蕩風險，研究團隊提出了基于虛擬阻感支路的高頻振蕩抑制策略，并針對不同頻段的阻抗交截特性進行了參數設計(圖6)。在此基礎上，考慮風電場阻抗分布進行了參數調節，在不同風電場運行工況下提高了系統穩定性(圖7)。

圖6 虛擬阻感參數設計示意圖

圖7 不同風電場運行工況下的參數調節效果

結論

1）M3C子模塊電容的隔離作用使得低頻側與工頻側耦合較弱，研究海上風電低頻送出系統低頻側或工頻側穩定性時，可忽略子模塊電容引入的部分耦合元素構成降階導納模型。

2）低頻海纜、M3C橋臂電感、控制參數及控制延時均會對潛在高頻振蕩現象產生較大影響，且高頻振蕩的分布特征受低頻海纜參數影響最為直接，在低頻海纜較短時系統穩定性問題更為突出。

3）針對低頻海纜和控制延時作為主要誘因引發的高頻振蕩，基于虛擬阻感支路的附加控制均能實現很好的抑制效果，且參數設計考慮風電場阻抗分布范圍，具有更好的魯棒性。

團隊介紹

“高效電能變換技術”首批百強創新團隊

本研究由南京航空航天大學“高效電能變換技術”首批百強創新團隊與中國電力科學研究院合作完成，團隊負責人為阮新波教授。團隊長期致力于軟開關變換器、新能源并網系統、電力電子系統建模及穩定性、電磁干擾與電磁兼容等技術研究，承擔了多項國家自然科學基金及重點研發項目，在相關領域取得了豐碩的學術成果并積累了豐富的工程經驗。

• 陳鵬偉，副教授/碩導，南航長空學者（長空之星），入選香江學者計劃與中國科協青年人才托舉工程。研究方向為新能源、直流配電系統的電磁暫態仿真與穩定控制技術。曾獲江蘇省高等學校研究成果獎一等獎、中國電源學會科技進步二等獎、教育部科技進步二等獎等科研成果獎5項。
  

• 陳杰，教授/博導，研究方向包括電力電子變換與控制技術、航空航天電源系統、新能源發電技術、電力電子系統建模與穩定性等。入選江蘇省第七期“333工程”高層次人才。主持國家自然科學基金項目3項。獲科研成果獎5項，其中第一完成人2項。獲江蘇省教學成果一等獎、二等獎各1項。

本工作成果發表在2026年第5期《電工技術學報》，論文標題為“基于M3C的海上風電低頻送出系統高頻振蕩特性分析及其抑制策略“。本課題得到國家自然科學基金項目、江蘇省自然科學基金面上項目、中國科協青年人才托舉工程資助。

引用本文

陳鵬偉, 李昊鍵, 陳杰, 劉宗燁, 徐云飛. 基于M3C的海上風電低頻送出系統高頻振蕩特性分析及其抑制策略[J]. 電工技術學報, 2026, 41(5): 1543-1557. Chen Pengwei, Li Haojian, Chen Jie, Liu Zongye, Xu Yunfei. High-Frequency Oscillation Analysis and Suppression Strategy for M3C-Based Low-Frequency Transmission System of Offshore Wind Power. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(5): 1543-1557.

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