0 引言
在全球能源转型与“碳达峰碳中和”目标的推动下，海上风电作为清洁能源的重要组成部分，正迅速发展成为实现能源结构优化的关键方向之一。随着海上风电装机容量的不断提升，柔性直流输电技术因其低损耗、高可控性等优势，逐渐成为大规模海上风电送出的核心技术方案[11]。特别是在深远海风电开发中，多端柔性直流输电技术的应用进一步提升了系统的灵活性与可靠性，为海上风电的高效并网提供了重要支撑[13]。然而，柔直送出系统在复杂海洋环境下的运行稳定性仍面临诸多挑战，亟需深入研究其稳定性分析与控制策略。本文围绕海上风电柔直送出系统的稳定性问题展开研究，探讨多端柔性直流输电技术在其中的应用，并提出优化控制策略以提升系统整体性能，为未来海上风电的发展提供理论支持与实践指导。
1 海上风电柔直送出系统概述
1.1 海上风电发展现状与趋势
近年来，全球海上风电产业呈现迅猛发展态势，我国作为海上风能资源丰富的国家，其开发规模与速度尤为显著。截至2020年6月底，我国海上风电装机容量累计达699万kW，预计到2035年将达到1.3亿kW，展现出巨大的发展潜力[11]。与此同时，全球范围内海上风电的开发也逐渐从近海向深远海延伸，这不仅得益于技术进步带来的成本下降，还受到“碳达峰碳中和”目标的推动[13]。未来，海上风电的发展趋势将更加注重高效、经济、环保的能源利用方式，尤其是在深远海区域的大规模开发中，如何实现风能的高效送出成为关键问题之一。
1.2 柔直送出系统原理与结构
柔直送出系统是基于电压源换流器（VSC）技术的直流输电系统，其工作原理是通过换流站将交流电转换为直流电进行传输，再经受端换流站还原为交流电并入电网[1]。典型结构包括送端换流站、直流海缆以及受端换流站三部分。其中，送端换流站负责将风电场产生的交流电转换为直流电，并通过直流海缆输送至受端；受端换流站则将直流电逆变为交流电，注入陆上电网[4]。由于柔性直流输电技术具备向无源网络提供电压支撑的能力，其在远距离海上风电并网中展现出显著优势，特别是在解决传统交流输电受海缆电容效应限制的问题上表现突出。
1.3 多端柔性直流输电技术优势
多端柔性直流输电技术在海上风电送出领域具有独特的优势，主要体现在提高供电可靠性和灵活性方面。相较于传统的两端直流输电系统，多端柔性直流系统能够连接多个风电场或负荷中心，实现功率的灵活分配与优化调度[9]。此外，该技术还具备较强的故障穿越能力，当某一端发生故障时，其他端仍可维持系统稳定运行，从而显著提升了整体系统的可靠性。同时，多端柔性直流系统的模块化设计使其易于扩展，能够适应未来海上风电规模的不断增长，为构建更加经济、高效的海上风电送出网络提供了技术支持。
2 海上风电柔直送出系统稳定性分析
2.1 稳定性影响因素分析
海上风电柔直送出系统的稳定性受多种因素影响，其中交流侧故障、直流侧扰动以及风能波动是主要方面。当柔直送端交流系统发生故障时，线路两侧短路电流均由电力电子换流器提供，系统的故障特征发生根本性变化，这对传统保护性能产生显著影响，甚至导致不正确动作，威胁系统安全运行[4]。此外，直流侧扰动如直流过电压问题也会影响系统的稳定性，特别是在受端电网故障时，直流过电压机理与送端系统交流电压、风场侧电流及直流侧电压的耦合关系密切相关[5]。同时，风能波动作为可再生能源固有的特性，其随机性和间歇性对柔直送出系统的功率平衡和电压稳定性构成挑战，进一步加剧了系统稳定性的复杂性。
2.2 基于模型的稳定性分析方法
为了深入研究海上风电柔直送出系统的稳定性，学者们提出了多种基于模型的分析方法。状态空间法是一种有效的工具，通过建立模块化状态空间模型，可以揭示系统中频振荡的关键因素及其影响特性，从而为稳定性分析提供理论支持[2]。此外，阻抗分析法也被广泛应用于系统稳定性研究中，特别是考虑海上风电与模块化多电平换流器（MMC）间的阻抗耦合时，能够更精确地计算柔性直流送出系统的等效阻抗，避免因忽略阻抗耦合而导致的稳定性判定失准问题[6]。这些方法为系统稳定性分析提供了重要的理论框架和计算手段。
2.3 不同运行工况下的稳定性表现
海上风电柔直送出系统在正常运行和故障穿越等不同工况下表现出不同的稳定性特征。在正常运行工况下，系统依赖于柔性直流输电技术的电压支撑能力，保持稳定的功率传输和电压水平[1]。然而，在故障穿越工况下，系统面临更大的挑战，例如交流电网故障时，风电场和柔直系统中的多类型换流设备需要协同控制以实现直流电压稳定，否则可能导致系统失稳[3]。研究表明，采用适当的故障穿越控制策略，如基于谐波注入信息传递的协调控制方法，可以显著提高系统在故障穿越工况下的稳定性，确保系统安全可靠运行[5]。
3 多端柔性直流输电技术应用
3.1 多端柔直系统拓扑结构
多端柔性直流输电系统在海上风电送出中常见的拓扑结构主要包括星形、环形和混合型等。星形拓扑以其结构简单、易于扩展的特点，在海上风电送出场景中得到了广泛应用。该拓扑通过一个公共直流母线连接多个换流站，能够实现多风电场的同时接入与功率分配[9]。环形拓扑则通过闭合的直流网络提高了系统的冗余性和可靠性，适用于对供电连续性要求较高的场景。混合型拓扑结合了星形和环形的优势，既具备灵活扩展能力，又能在部分线路故障时保证功率传输的稳定性。这些拓扑结构的选择需根据具体工程需求进行优化设计，以最大程度满足海上风电送出系统的运行要求。
3.2 多端柔直系统控制方式
多端柔直系统的控制策略主要包括电压控制和功率控制两种方式，并需通过协调机制实现系统的稳定运行。电压控制通常由主换流站承担，通过维持直流电压的稳定来确保系统的功率平衡。功率控制则用于调节各换流站之间的功率分配，以适应风能波动和负荷变化[8]。此外，分层控制策略被广泛应用于多端柔直系统中，通过全局层、局部层和设备层的分级控制实现系统的高效运行。例如，文献[14]提出了一种新型电压-频率控制方法，通过优化阀侧电压控制目标，提升了系统在不合环运行方式下的稳定性。这种协调机制不仅提高了系统的动态响应能力，还增强了其对复杂工况的适应性。
3.3 对系统稳定性提升作用
多端柔性直流输电技术从拓扑和控制角度显著提升了海上风电柔直送出系统的稳定性。在拓扑层面，多端系统的冗余设计使得单一线路或换流站故障不会对整个系统造成严重影响，从而提高了系统的容错能力[2]。在控制层面，采用自适应下垂控制和虚拟导纳阻尼控制等策略，能够有效抑制因风能波动和电网扰动引起的功率不平衡问题[9]。例如，文献[2]提出了一种基于虚拟导纳的中频振荡抑制策略，通过添加阻尼控制器显著改善了系统在中高频段的稳定性。这种综合措施不仅提升了系统的静态和动态性能，还为海上风电的大规模开发和可靠送出提供了技术保障。
4 稳定性控制策略研究
4.1 控制策略提出
针对海上风电柔直送出系统在稳定性分析中发现的问题，如交流侧故障、直流侧扰动以及风能波动等对系统稳定性的影响，本节提出了一系列优化控制器参数和引入新型控制算法的策略。首先，在控制器参数优化方面，通过调整柔性直流输电系统中的电压源控制参数，可以有效提升系统在故障穿越期间的动态响应能力[3]。此外，基于自同步电压源控制策略的改进方法被提出，以增强系统在电网故障时的惯量支撑能力，从而降低直流过电压的风险[5]。其次，在新型控制算法的引入上，采用虚拟导纳控制技术来抑制中频振荡现象，这一策略通过模块化状态空间法建立小信号模型，并结合参与因子分析揭示关键影响因素，从而实现对中频振荡的有效阻尼控制[2]。这些控制策略的提出旨在从多个角度提升系统的稳定性，为后续的理论验证和工程应用奠定基础。
4.2 控制策略有效性分析
为了验证所提控制策略的有效性，本节通过理论分析和仿真实验相结合的方法进行了深入研究。在理论分析方面，采用状态空间法和阻抗分析法对优化后的控制器参数进行了建模与评估，结果表明，改进后的电压源控制策略能够显著提高系统在交流侧故障时的故障穿越能力[1]。同时，基于虚拟导纳的阻尼控制策略在抑制中频振荡方面表现出色，其通过合理设计控制器参数稳定域，确保了系统在不同运行工况下的稳定性提升[2]。在仿真验证环节，利用PSCAD软件搭建了某海上风电柔直送出系统的电磁暂态模型，针对不同故障类型和交流电压波动工况进行了测试。仿真结果显示，采用优化控制策略后，系统的直流电压波动范围明显缩小，且风电场减载响应速度大幅提升，从而有效提升了系统的整体稳定性[3]。这些结果充分证明了所提控制策略在理论上的可行性和实践中的有效性。
4.3 实际工程应用评估
在实际工程应用中，所提控制策略的成本、可行性及适用性是评估其推广价值的重要指标。从经济性角度来看，基于主动能量控制与交流耗能装置协同的策略能够显著降低直流耗能装置的配置容量，从而减少工程投资成本[10]。此外，该策略通过充分利用柔直系统的能量裕度，实现了盈余功率的合理分配，避免了能量的浪费，进一步提升了工程的经济性。在可行性方面，所提控制策略无需依赖高速通信网络，而是通过谐波注入等方式实现多类型换流设备的协同控制，这在实际工程中具有较高的可操作性[5]。然而，需要注意的是，部分新型控制算法（如虚拟导纳控制）对硬件设备的要求较高，可能需要在现有基础上进行一定的升级改造。总体而言，所提控制策略在成本、可行性和适用性方面均表现出良好的综合性能，具备在海上风电柔直送出系统中大规模推广的潜力[1][10]。
5 结论与展望
5.1 研究结论总结
本文围绕海上风电柔直送出系统的稳定性分析与多端柔性直流输电技术的应用展开深入研究。通过对柔直送出系统的工作原理、典型结构及其稳定性影响因素的全面剖析，揭示了交流侧故障、直流侧扰动及风能波动等对系统稳定性的关键影响[1]。基于状态空间法和阻抗分析法等模型分析手段，进一步验证了系统在正常运行与故障穿越工况下的稳定性特征。同时，多端柔性直流输电技术因其独特的拓扑结构和协调控制策略，显著提升了系统的供电可靠性与灵活性，为海上风电送出提供了更为稳定的解决方案[2]。此外，针对稳定性分析中发现的问题，提出的优化控制器参数与新型控制算法等策略，经过理论分析与仿真验证，展现了其在提高系统稳定性方面的有效性。这些研究成果为海上风电柔直送出系统的稳定运行提供了理论支持与实践指导。
5.2 未来发展方向展望
展望未来，海上风电柔直送出系统的稳定性分析与控制策略研究将迎来更多技术创新与突破。随着柔性低频输电技术的逐步成熟，其在深远海大容量风电送出中的应用潜力巨大，有望成为下一代海上风电并网技术的重要方向[11]。此外，随着人工智能与大数据技术的快速发展，智能化控制策略将在海上风电柔直送出系统中发挥更大作用，从而实现更精准的稳定性分析与更高效的控制优化[13]。同时，如何进一步降低换流站设备的体积与重量、优化紧凑型海上风电直流送出设计，仍是亟待解决的关键问题。这些技术变革将为海上风电柔直送出系统的稳定性分析与控制策略研究开辟新的领域，推动全球海上风电产业的可持续发展。
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作者简介：郭洪涛（1982—），男，满族，河北三河人，本科，研究方向为电力工程发变电。
