華北電力大學趙書強教授團隊提出一種基于直驅風電場經柔直外送系統振蕩特性及控制環節動態交互作用的研究方法

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導語

以直驅風電場經柔性直流輸電外送系統為研究對象，華北電力大學趙書強教授團隊在《電工技術學報》2026年第5期上撰文，提出研究系統間交互作用的建模與分析方法。針對高比例新能源背景下并網系統存在的振蕩風險及內部控制環節交互作用機理不明的問題，本文結合模態分析與阻抗分析方法開展研究，建立考慮帶寬約束條件的系統阻抗模型，采用開環傳遞函數因子分解法揭示系統次同步及中頻振蕩的失穩機理，明確控制環節、運行參數對系統穩定性的影響規律，為并網系統的控制器設計與穩定運行提供理論支撐。

研究背景

“雙碳”目標下，我國風電裝機規模持續增長，2024年底并網風電裝機達4.9億kW。在大容量遠距離風電經柔直外送模式下，高比例電力電子設備接入會導致系統中出現多頻段振蕩問題，廈門、張北、如東海風柔直工程均出現過次同步、中頻或高頻振蕩現象，造成功率波動、機組停機等后果。

現有研究雖對并網系統穩定性展開了一系列研究，但機理分析主要基于現象觀測，對振蕩特性及內部控制環節的動態交互作用分析不足，通過數值解析振蕩機理的方法也存在局限性，因此需要對系統振蕩機理展開進一步探討。

論文所解決的問題及意義

針對高比例風電并網引發的寬頻振蕩問題，本文以直驅風電場經柔直送出系統為研究對象，提出基于傳遞函數的阻抗建模方法，綜合考慮鎖相環動態特性及控制器帶寬約束對并網系統阻抗模型的影響，可以從物理層面分析次同步及中頻振蕩模態下系統內部環節的動態交互過程，有效揭示了各控制帶寬及運行參數對模態振蕩特性的影響機制，為進一步依據帶寬模型評估互聯系統的穩定性提供了新思路。

論文方法及創新點

1、小信號建模與振蕩模態分析

本文基于圖形化建模方法，構建直驅風電場與柔直互聯系統的28階小信號狀態空間模型，圖1為并網系統的拓撲結構。通過特征值分析識別出系統中包含低頻、次同步、中頻及高頻4類振蕩模態，如表1所示，其中次同步振蕩（14.09Hz）和中頻振蕩（116.2Hz）呈負阻尼特性。結合參與因子分析可以確定次同步振蕩由柔直內外環控制和風機鎖相環部分主導，中頻振蕩由風機電流內環和柔直內外環部分主導。

圖1 直驅風電場經VSC-HVDC并網系統拓撲結構

表1 互聯系統振蕩模態

2、考慮帶寬約束的互聯系統阻抗建模及振蕩機理分析

從阻抗角度出發，對風機控制系統及主電路分別建立dq和xy坐標系下的小信號模型，采用傳遞函數法推導出直驅風電場和柔直換流器的阻抗模型。圖2為互聯系統的阻抗特性曲線，圖3為施加擾動前后，時域中的電壓與電流仿真波形。

圖2 系統阻抗特性曲線

圖3 電壓和電流波形

3、控制環節間交互特性分析

采用開環傳遞函數因子分解將系統阻抗解析表達式拆分為控制器因子相乘的形式，可以量化各控制環節對系統穩定性的作用效果。圖4為系統阻抗的幅頻特性曲線示意圖，其中柔直內外環控制與風機鎖相環帶寬對次同步頻段的阻抗特性產生影響，風機電流內環帶寬與柔直內外環控制會影響中頻段阻抗特性。系統間交互作用取決于帶寬參數的設定，圖5與圖6分別給出了次同步及中頻模態下系統穩定裕度隨帶寬參數和功率水平的變化趨勢。

圖4 系統幅頻特性曲線示意圖

圖5 次同步模態下系統幅頻特性曲線示意圖

圖6 中頻模態下系統幅頻特性曲線示意圖

結論

1）直驅風電場經柔直外送系統存在低頻、次同步、中頻和高頻振蕩模態，其中失穩的SSO模態由柔直內外環控制和風機鎖相環主導，中頻振蕩模式由風機電流內環和柔直內外環主導。進一步提出了一種考慮帶寬約束的系統阻抗模型，為揭示風機與柔性直流控制系統間的振蕩機理提供了新的視角。

2）開環傳遞函數因子分解方法適用于并網系統的交互作用機理分析。深入探討了風機鎖相環與柔性直流系統電壓外環、電流內環間交互作用引起并網系統失穩的數學機理。在SSO模態下，鎖相環帶寬和柔直內外環帶寬越靠近，系統穩定性越強，二者帶寬遠離將加劇系統間的動態交互作用，削弱系統的穩定性；而對于中頻段振蕩，直驅電流內環帶寬和柔直內外環帶寬協同增加時，交互作用程度加深，不利于互聯系統的穩定性。

3）風機輸出有功功率與柔直濾波電容在次同步與中頻段范圍呈現出相似的影響趨勢，通過改變幅頻特性曲線的低頻段起始位置影響控制環節間的交互作用。風機輸出功率越大，濾波電容取值越小，控制環節則越容易發生交互作用導致系統失穩。

團隊介紹

華北電力大學（保定）多能源系統優化與穩定技術研究團隊成立于2012年，團隊擁有教師10名和研究生70余名，研究方向主要包括電力系統振蕩分析與控制、新能源虛擬同步發電機控技術等。近三年來參與國家重點研發計劃2項，國家自然科學基金青年項目1項，部級科技項目2項，橫向項目10余項，發表核心期刊論文百余篇；開發了高比例新能源的慣量評估系統，研制了新能源機組的構網型控制器等。

馬燕峰

博士，副教授，碩士生導師，電力教研室主任。主要從事電力系統分析運行與控制、新能源電力系統穩定性分析與控制、多能源電力系統調度運行、多能源電力系統規劃方面工作。

韓珊珊

碩士研究生，研究方向為電力系統運行與控制。

王子建

博士，副教授，碩士生導師，主要從事大功率電容器儲能技術，直流輸電電容器技術，電力電子電容器技術，電力電容器與無功補償方面的科研工作。

李然

碩士，講師，主要從事電力系統分析運行與控制、智能技術在電力系統中的應用等方面的科研工作。

趙書強

博士，教授，博士生導師，河北省優秀教師，中國電機工程學會高級會員，主要從事電力系統分析與控制、新能源電力系統優化運行、電力系統規劃與可靠性等方面的研究工作。

本工作成果發表在2026年第5期《電工技術學報》，論文標題為“直驅風電場經柔直外送系統振蕩特性及控制環節動態交互作用研究“。本課題為國家重點研發計劃資助項目。

引用本文

馬燕峰, 韓珊珊, 王子建, 李然, 趙書強. 直驅風電場經柔直外送系統振蕩特性及控制環節動態交互作用研究[J]. 電工技術學報, 2026, 41(5): 1526-1542. Ma Yanfeng, Han Shanshan, Wang Zijian, Li Ran, Zhao Shuqiang. Study on Oscillation Characteristics and Dynamic Interaction of Control Link of a VSC-HVDC Connected Direct Drive Wind Farm. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(5): 1526-1542.

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