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发布：2026-05-20 · 事件：2026-05-20 18:25:03

来源： 《中国电力》2026年第4期 引用本文： 张雅君, 杨心刚, 鲍伟, 等. 面向高比例新能源接入的海上风电场多端柔直并网控制策略[J]. 中国电力, 2026, 59(4): 127-139. ZHANG Yajun, YANG Xingang, BAO Wei, et al. Control strategy for VSC-MTDC grid connection of offshor...

风电电力系统

来源： 《中国电力》2026年第4期 引用本文： 张雅君, 杨心刚, 鲍伟, 等. 面向高比例新能源接入的海上风电场多端柔直并网控制策略[J]. 中国电力, 2026, 59(4): 127-139. ZHANG Yajun, YANG Xingang, BAO Wei, et al. Control strategy for VSC-MTDC grid connection of offshore wind farms with high penetration of renewable energy integration[J]. Electric Power, 2026, 59(4): 127-139. DOI:  10.11930/j.issn.1004-9649. 202509034 摘要 针对高比例新能源接入场景下，海上风电场经多端柔直并网所面临的直流电压动态性能受限、动态功率偏差等问题，提出一种计及异常工况的海上风电场经多端柔直并网主从协调分层控制策略。首先，融合电压裕度与电压下垂控制，基于换流站动态特性提出主辅换流站协调控制方法。其次，提出基于直流功率波动量与换流站调节能力的动态分层控制方法，能在异常扰动下维持有功功率均衡分配。然后，建立换流站动态参与策略及参数整定方法，实现各工况下换流站投运数量的自适应调节，有效抑制换流站动态功率波动，提升直流电压动态调节特性。最后，通过PSCAD/EMTDC仿真平台构建五端海上风电多端柔直仿真系统，验证异常工况下所提控制策略的有效性。 研究背景 在全球能源结构低碳化转型的驱动下，海上风电作为规模化开发潜力最大的可再生能源之一，已成为构建新型电力系统的重要支柱。大规模海上风电作为清洁能源体系的重要构成，其场址多分布于远海区域。传统交流并网方式在应对远距离输电损耗、系统稳定性控制及多电源协调运行等方面存在显著技术瓶颈。海上风电场通过多端柔性直流输电（multi-terminal direct current，MTDC）技术接入交流电网，具有可靠性高、平抑风电波动能力强、功率传输灵活及协同控制优越等显著优势。相较于传统电网换相换流器，电压源型换流器（voltage source converter，VSC）在多端直流输电系统中展现出具备黑启动与无功支撑能力、控制策略更为简洁、无需改变直流电压极性即可实现潮流反转等独特技术优势。MTDC凭借其低损耗传输、灵活功率控制及异步电网互联等优势，为海上风电场高效并网提供了解决方案。 VSC-MTDC系统可将多个可再生能源电站产生的电能汇集并接入传统交流电网，通过多换流站协同控制实现多区域电网的柔性互联，尤其适用于分散式海上风电场并网场景。然而，在换流器故障或大扰动情况下，采用固定下垂控制策略的系统会出现换流器过载现象，导致有功功率分配失衡及直流电压大幅偏移。同时，高比例新能源接入导致系统呈现强随机性、波动性特征，使得并网系统面临两大核心挑战。1）直流电压动态响应特性受多换流站交互作用影响，传统下垂控制策略难以实现动态功率的快速均衡分配；2）新能源出力波动与交流电网故障耦合下，系统易产生动态功率累积偏差，导致直流电压越限甚至连锁故障。因此，研究适应高比例新能源接入场景下的VSC-MTDC协同控制策略，对于保障海上风电场并网系统的安全稳定运行具有重要理论价值和工程意义。 高比例新能源接入场景下，电力系统呈现出强随机性与波动性的显著特征。新能源出力受自然条件如风力、光照等因素影响，难以精准预测与稳定调控。这使得海上风电场经多端柔直并网时，传统控制策略面临严峻挑战。本文提出一种计及异常工况的海上风电场经多端柔直并网主从协调分层控制策略，针对高比例新能源接入场景，考虑系统运行中的复杂变化，通过融合电压裕度与电压下垂控制，基于换流站动态特性提出主辅换流站协调控制方法，有效应对新能源波动对直流电压的影响。同时，基于直流功率波动量与换流站调节能力的动态分层控制方法，可在异常扰动下维持有功功率均衡分配，适应新能源出力的不确定性。此外，建立的换流站动态参与策略及参数整定方法，能实现正常及异常工况下换流站投运数量的自适应调节，有效抑制新能源接入引起的换流站功率波动，改善直流电压动态调节特性。所提策略有效解决高比例新能源接入下直流电压动态性能受限、动态功率偏差累积等关键痛点，为高比例新能源接入场景下海上风电场多端柔直并网系统的稳定运行提供了可靠保障，对推动海上风电大规模开发与高效利用具有一定的现实意义。 海上风电经VSC-MTDC并网的协同控制策略 1.1  海上风电经VSC-MTDC并网模型 在海上VSC-MTDC系统中，直流网络通过海底高压直流电缆及接口VSC将海上风电场与陆上交流电网相连接，其结构如图1所示。双向DC-DC换流器用于连接具有不同直流电压等级的高压直流网络，从而实现网络间有功功率的交换。 图1   海上VSC-MTDC系统模型 Fig.1   Model of offshore VSC-MTDC system 风电场侧换流器（wind farm voltage source converter，WFVSC）为风电场提供交流电源，故需采用交流电压与频率控制策略，以稳定公共连接点（point of common coupling，PCC）处的电压幅值与频率，从而确保最大功率注入MTDC系统。电网侧换流器（grid side voltage source converter，GSVSC）负责控制直流电压，其采用如图1所示的控制策略。换流器控制系统包含外环直流电压/功率调节模块与内环PWM调制信号生成单元 。下垂控制算法主要集成于外环控制层，负责向电流内环输出基准指令信号。内环控制器通过实时追踪外环参考量，对换流器工作电流及传输功率实施闭环调节。 1.2  VSC-MTDC主从协调控制策略 高比例新能源接入使得海上风电场多端柔直并网系统面临诸多复杂问题。新能源出力的随机波动与交流电网故障耦合，易导致系统产生动态功率偏差累积，进而引发直流电压越限甚至连锁故障。协调并网控制策略在维持直流电压动态稳定性方面表现优异，但需以牺牲直流功率大范围波动工况下的传输功率精度为代价。稳态及异常工况下，为实现VSC-MTDC系统电压控制性能与功率调节精度的协同优化，本文提出海上风电主从协调MTDC并网控制策略，海上风电VSC-MTDC系统结构如图2所示。 图2   基于主从协调控制的海上VSC-MTDC系统结构 Fig.2   Topology of offshore VSC-MTDC system based on master-slave coordinated control 在图2中，海上VSC-MTDC系统连接的城市电网可划分为 m 个核心负荷区与 n 个非核心负荷区。其中，核心负荷区表现为高比例负荷、电源支撑薄弱的特征，致使关键交流线路安全风险概率提升；非核心负荷区呈现负荷需求平缓且本地电源渗透率较高的特征。海上VSC-MTDC系统中，WFVSC实现大规模海上风电集群的稳定接入；核心负荷区连接 m 台电压源型逆变器，实现与主网的双向功率交互；非核心负荷区连接 n 台整流型换流器，也可以连接外部更高电压等级电网。 为提升VSC-MTDC系统的可靠性和稳定性，提出了一种主从协调多端并网控制策略，该策略融合电压裕度控制与电压下垂控制。其中，主换流站采用恒定直流电压控制模式，为系统提供直流电压参考基准，有效提升系统电压稳定性。主辅换流站的直流电压协同控制形成分级功率支撑架构，提供充足的有功功率调节（active power control，APC）能力，显著抑制功率暂态波动。APC换流站作为直流电压控制的备用控制节点，在系统故障时可平滑切换至电压控制模式。 为确保VSC-MTDC系统的功率平衡，将系统中换流站分为风电换流站、主换流站、辅助换流站和APC换流站，如图3所示。主换流站实现直流电压控制，辅助站则协助进行电压调节。电网侧换流器作为APC站，在系统异常时应切换至下垂控制模式。此外，风电场换流器采用恒有功功率控制策略以模拟风电功率波动特性，如图3 a)所示。图3 a)中： U dc 为换流站直流电压； P 为换流站交流侧有功功率输出； U h 与 U l 分别为风电换流站在正常运行状态下的直流电压上限与下限； P w 为风电场输出功率。 图3   换流站协调控制功率-电压特性曲线 Fig.3   Coordinated control power-voltage characteristic curves of converter station 主换流站的电压-功率特性曲线如图3 b)所示，通过调节有功功率输出以维持直流母线电压稳定，当检测到系统功率失衡时，控制器将自动调整传输功率以维持系统平衡状态。图3 b)中： U dcref 为直流电压参考值； P max 和 P min 分别为换流站的最大和最小有功功率。 主从协调控制策略中，主换流站采用恒定直流电压控制模式，为系统提供稳定的直流电压参考基准，提升系统电压稳定性；辅助换流站采用带死区的下垂控制策略，有效防止有功功率振荡，确保直流潮流合理分配。当系统遭遇异常扰动，主换流站与辅助换流站调节能力不足时，APC换流站自动切换至下垂控制策略，显著增强系统应对新能源波动及异常工况的能力。动态分层控制策略根据直流功率波动量幅值及换流站最大调节能力，动态设定不同优先级控制阈值，能够快速响应新能源接入带来的功率变化，提升系统实时控制能力，精准实现有功功率的均衡分配，维持系统稳定运行。 异常工况下海上风电经VSC-MTDC系统分层协同控制 2.1  总体控制框架 为实现海上风电经VSC-MTDC系统在稳态及异常工况下直流电压控制与功率控制的优异性能，采用分层控制策略实现功率分配与实时控制，系统控制框架如图4所示。 图4   海上风电经VSC-MTDC系统分层控制架构 Fig.4   Hierarchical control architecture for offshore wind power integration via VSC-MTDC systems 在图4中，VSC-MTDC系统采用分层控制架构，主控制为主辅控制策略，次级控制分为运行模态计算层与控制器参数计算层。 1）运行模式计算层。海上风电经VSC-MTDC系统运行时，该层级主要承担双重职责：①正常工况模式计算：需确定电网侧VSC的有功功率参考值，该参数直接影响下垂系数及控制系统性能，同时须满足 N -1安全准则与海上风电并网要求；②异常工况模式计算：需重新校核WFVSC有功出力，确保供电可靠性并预防关键线路连锁故障，同时需考虑海上风电场动态响应特性。由于其他换流站有功功率波动对关键交流线路的潮流影响可忽略（＜1%），故在计算模型中予以简化处理。 2）控制器参数计算层。该层级需依据上层参数计算结果，进行换流站控制器动态参数配置，在计算过程中，需综合考虑MTDC系统参数与换流站主从协同控制。 结论 高比例新能源接入场景下，针对海上风电场经VSC-MTDC系统面临的直流电压动态性能受限、功率累积偏差及故障影响范围扩大等问题，本文提出了一种计及异常工况的主从协调分层控制策略。通过理论分析与仿真验证，得出以下结论。 1）所提海上风电场主从协调VSC-MTDC系统控制策略，通过主从协调与分层控制相结合，实现了直流电压的快速稳定与有功功率的均衡分配，区别于传统固定下垂控制，显著提升了系统在异常工况下的动态响应能力。 2）提出了融合电压裕度控制与下垂控制的协同控制框架，基于直流功率波动量与换流站调节能力进行动态优先级控制，实现了APC换流站投运数量的自适应调节，以及直流电压的快速稳定与有功功率的均衡分配，有效抑制了功率偏差累积。 3）通过APC换流站控制器参数的优化设计，强化了系统对动态功率波动的抑制能力，降低了对高带宽通信的依赖，适用于复杂多变的实际运行环境。 作者简介 张雅君 张雅君（1995），女，博士，高级工程师，从事电力系统分析、新能源并网、大电网仿真研究，E-mail：zhangyajun1169@163.com； 肖晃庆（1990），男，通信作者，博士，副教授，从事直流输电、新能源并网、电力系统稳定分析与控制研究，E-mail：xiaohq@scut.edu.cn。 注：本文内容呈现略有调整，如需要请查看原文。 往期回顾 ◀  《中国电力》2026年第5期抢先看 ◀  南方电网科学研究院有限责任公司 曹望璋 等｜基于分布式梯度投影的居民区电动汽车均衡充电策略 ◀  湖南农业大学 李露露 等｜时滞效应视角下中国电力绿色低碳转型效率评估——基于考虑产出滞后的三阶段超效率SBM-Malmquist模型 ◀  中国长江电力股份有限公司 吴修韩 等｜大型水轮发电机灵活组合型接地方式 ◀  国网浙江省电力有限公司 翁格平 等｜考虑碳排放影响的长期发电投资决策方法 ◀  “‘双碳’目标下支撑能源转型的电价市场化改革与价格监管”专题征稿启事 ◀  “电力电子化电力系统故障控制与保护关键技术”专题征稿启事 ◀  “构网型新能源接入条件下新形态配电系统保护控制与故障处置关键技术”专题征稿启事 ◀  “适应新型电力系统的新能源并网稳定与主动支撑优化提升”专题征稿启事 编辑： 许新雨 校对： 于静茹 审核：张红宪 声明 根据国家版权局最新规定，纸媒、网站、微博、微信公众号转载、摘编《中国电力》编辑部的作品，转载时要包含本微信号名称、二维码等关键信息，在文首注明《中国电力》原创。个人请按本微信原文转发、分享。欢迎大家转载分享。