随着我国“碳达峰·碳中和”目标的稳步推进，基于模块化多电平矩阵变换器（M3C）的低频输电方案备受关注。由于M3C本身结构和控制环路较为复杂，多工况稳定性分析与设计较为困难。

南京航空航天大学自动化学院陈鹏伟、李昊键、陈杰联合中国电力科学研究院刘宗烨、徐云飞，建立了M3C四端口导纳模型，并通过阻抗集成分析了海上风电低频送出系统中关键参数对高频振荡特性的影响，进而提出了基于虚拟阻感支路的附加控制策略与考虑风电场阻抗宽范围分布的参数设计方法，为海上风电的安全送出提供了理论支撑与工程解决方案。

研究背景

基于M3C的低频输电方案因其输电容量及工程经济性在远海风电送出场景中拥有巨大潜力，但M3C作为电压源型换流器，在电流矢量控制下高频段存在负阻特性，使得系统存在高频振荡风险。此外，M3C存在输入、输出控制及环流控制等多个控制环路，模型复杂度与准确度间的矛盾极为突出，严重阻碍了基于阻抗法的稳定性分析与致稳设计。

对于海上风电低频送出系统(图1)，以风电机组和海缆为核心的低频侧系统、工频交流电网均存在多种工况，阻抗特性复杂，发生高频振荡的风险会更为突出，但目前针对性的研究却相对较少，机理尚未完全明晰。

图1 海上风电低频送出系统基本架构

论文所解决的问题及意义

为明确海上风电低频送出系统潜在的高频振荡现象及机理，本文首先建立了M3C四端口导纳模型，并在保持端口自导纳特性的约束下，给出了基于平均曼哈顿距离描述的降阶处理过程。其次，结合风电场单机等值和M3C四端口降阶导纳模型，通过阻抗集成分析了海上风电低频送出系统低频海缆长度、M3C桥臂电感、控制延时等关键参数对高频振荡特性的影响，并提出了基于虚拟阻感支路的附加控制策略与考虑风电场阻抗宽范围分布的参数设计方法。

论文方法及创新点

1、M3C四端口导纳建模与降阶处理

为了便于M3C小信号模型与两侧系统的集成，研究团队建立了四端口形式的M3C小信号模型(图2)。并在保持端口自导纳特性的约束下基于平均曼哈顿进行了降阶处理，图3展示了M3C低频侧扫频及降阶结果。

图2 M3C四端口小信号框图

图3 M3C低频侧扫频及降阶结果

2、海上风电低频送出系统高频振荡机理分析

基于M3C四端口导纳降阶模型，团队通过阻抗集成分析了海上风电低频送出系统中关键参数对高频振荡特性影响。研究表明，高频振荡的分布特征受低频海缆参数影响(图4)最为直接，另外M3C桥臂电感及控制参数(图5)也对高频振荡存在较大影响。

图4 不同低频海缆长度下阻抗交截情况

图5 不同控制参数下阻抗交截情况

3、基于虚拟阻感支路的高频振荡抑制策略及参数设计

针对海上风电低频送出系统存在的高频振荡风险，研究团队提出了基于虚拟阻感支路的高频振荡抑制策略，并针对不同频段的阻抗交截特性进行了参数设计(图6)。在此基础上，考虑风电场阻抗分布进行了参数调节，在不同风电场运行工况下提高了系统稳定性(图7)。

图6 虚拟阻感参数设计示意图

图7 不同风电场运行工况下的参数调节效果

结论

1）M3C子模块电容的隔离作用使得低频侧与工频侧耦合较弱，研究海上风电低频送出系统低频侧或工频侧稳定性时，可忽略子模块电容引入的部分耦合元素构成降阶导纳模型。

2）低频海缆、M3C桥臂电感、控制参数及控制延时均会对潜在高频振荡现象产生较大影响，且高频振荡的分布特征受低频海缆参数影响最为直接，在低频海缆较短时系统稳定性问题更为突出。

3）针对低频海缆和控制延时作为主要诱因引发的高频振荡，基于虚拟阻感支路的附加控制均能实现很好的抑制效果，且参数设计考虑风电场阻抗分布范围，具有更好的鲁棒性。

团队介绍

“高效电能变换技术”首批百强创新团队

本研究由南京航空航天大学“高效电能变换技术”首批百强创新团队与中国电力科学研究院合作完成，团队负责人为阮新波教授。团队长期致力于软开关变换器、新能源并网系统、电力电子系统建模及稳定性、电磁干扰与电磁兼容等技术研究，承担了多项国家自然科学基金及重点研发项目，在相关领域取得了丰硕的学术成果并积累了丰富的工程经验。

本工作成果发表在2026年第5期《电工技术学报》，论文标题为“基于M3C的海上风电低频送出系统高频振荡特性分析及其抑制策略“。本课题得到国家自然科学基金项目、江苏省自然科学基金面上项目、中国科协青年人才托举工程资助。