CES TEMS 论文分享｜武汉大学查晓明教授团队：风电场集成MMC-HVDC协调控制策略综述

风电场集成MMC-HVDC协调控制策略综述

Jingyi Zhang1; Huiru Yang1; Zhen Tian*1;

Meng Huang1; Pan Feng1; Fei Liu1;

Zhe Chen2; Ruanming Huang2; Xiaoming Zha1

1.Wuhan University, Wuhan, China

2.State Grid Shanghai Electric Power Company, Shanghai, China

J. Zhang et al., "Overview of Coordinated Control Strategies of Wind Farm Integrated MMC-HVDC," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol. 10, no. 2, pp. 240-256, June 2026, doi: 10.30941/CESTEMS.2026.00015.

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亮点

本文系统梳理了有/无通信的频率感知、电容能量阻尼振荡、多级协调直流故障穿越等前沿协调策略；对每种挑战，均按“机理分析→控制方法→优劣对比→不足总结→未来方向”的逻辑展开，形成清晰完整的技术图谱；深入指出当前研究在风-直协调机制、全链路振荡建模、故障全过程控制及工程适应性方面的关键缺陷。文章从“协调控制”的统一视角，系统构建风电经MMC-HVDC并网的分析框架，明确提出三大挑战（惯性支撑、宽频振荡、故障穿越）并非独立问题，而是源于风电场与MMC-HVDC之间“动态交互”的同一物理根源，并以此为主线贯穿全文。

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内容

大多数水力发电机组都是凸极同步电动机。凸极结构本身会产生非正弦的气隙磁场。随着间歇性可再生能源和电力电子设备在大规模层面上越来越多地被整合到电网中，传统的水力发电机组在削峰、频率调节和无功功率支持方面承担着重要的责任。

（一）MMC-HVDC系统结构与基本控制策略

介绍对称单极（伪双极）和对称双极（真双极）两种主流接线方式，说明其线路类型（电缆/架空线）、可靠性差异（双极可冗余运行）及典型工程案例。

分述三部分控制：WFMMC采用V/f控制为风电场提供稳频稳压；GSMMC采用Udc/Q或P/Q控制（双极系统中用主从控制）；风电机组网侧变流器采用Udc/Q控制，机侧变流器采用MPPT控制。

归纳三大挑战：惯性支撑（虚拟惯性响应延迟、能量瓶颈）；故障穿越（直流故障过流、交流不对称故障、连锁故障风险）；宽频振荡（多谐振点、PLL与电网强度交互、阻抗模型非线性局限）。指出三者在多时间尺度上的深度耦合。

（二）协调频率控制

1. MMC-HVDC调频方法

基于PLL的频率和直流电压滑模控制：通过直流电压偏差传递频率信号，建立GSMMC与WFMMC间的频率耦合关系。

无PLL的频率响应控制：分为VSG控制（模拟同步电机转子方程）和电容惯性无PLL控制（利用子模块电容能量自同步）。

虚拟同步发电机控制：详细说明VSG的有功-频率和无功-电压模拟控制方程。

基于电容-惯性控制：将子模块电容等效为直流侧并联电容，建立电容能量与频率的映射关系，并介绍解耦直流电压与电容电压的改进方案（如引入直流调制比、扩展电容电压运行范围）。

3. 电网频率感知方法

基于通信的方法：通过SCADA等通信直接传递频率，但存在长距离延时问题。

无需通信的频率检测方法：通过WFMMC频率变化或直流电压变化间接传递频率信号，但受风电场功率波动影响精度。

（三）协调振荡抑制控制

1. 风电场与MMC-HVDC交互作用

通过列举实际工程振荡案例，综述阻抗法和特征值法分析振荡机理，指出交互主要源于GVSC与WFMMC控制参数、PLL带宽、功率水平等因素的耦合。

2. 协调振荡抑制控制

控制器参数优化：优化PLL设计、电压环参数、子模块电容/桥臂电感等。

被动阻尼控制：增加FACTS设备（TCSC、STATCOM、SSDC）等硬件。

主动阻尼控制：采用虚拟阻抗/虚拟电阻方法，重点介绍基于电容能量的阻尼控制，利用零序环流调制实现快速振荡抑制。

（四）协调故障穿越控制

1. 直流侧故障穿越

故障清除方法：分两类——具备自清除能力的MMC子模块拓扑和直流断路器。

通过双极MMC-高压直流系统实现风电场的直流故障穿越控制：针对双极系统，提出多级协调控制（MLCC），通过故障极电容吸收能量、非故障极提升电压、风电场快速减载（超速/变桨/切机）配合储能实现功率平衡。

2. 交流网侧故障穿越

分有通信方式（快速减载指令）和无通信方式（频率抬升/电压跌落/谐波注入传递信号），并介绍能耗电阻、子模块电容主动能量控制（利用直流调制比）等功率平衡手段。

3. 风场区故障穿越讨论单相/两相/三相短路故障，提出风电机组采用同步控制作为电压源、WFMMC作为电流源的协调策略；对三相永久故障需切机，期间WFMMC限流、风电机组进入LVRT模式。

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思考

惯性支撑方面，将突破单一风机虚拟惯量控制，探索风电场与MMC-HVDC的多源协调机制，开发快响应、大容量支撑技术，并建立统一评价指标体系。

振荡抑制方面，构建全链路高精度宽频模型，研究构网型场景下多换流器交互引发振荡的机理与传播路径，形成系统级防控策略。

故障穿越方面，建立覆盖“发生—持续—恢复”全故障过程的控制框架，充分考虑不同故障类型、换流器过流耐受、多时间尺度响应及多端接入/储能联合等复杂工程条件。

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团队介绍

武汉大学大功率电力电子技术研究团队，在学术带头人查晓明教授的带领下，长期从事大功率电力电子技术研究及其在电力系统中的应用工作。主要研究领域包括电力电子功率变换系统、智能电网及新能源发电中的电力电子技术应用、电能质量分析与控制、高压大功率电机的变频调速技术等。近年来，主持和参与国家自然科学基金重大、重点、面上项目、国家重点研发计划课题、973（GF）项目以及国家电网/南方电网公司项目等。团队成果获湖北省科技进步一等奖、中国电力科技进步一等奖、教育部技术发明二等奖等十余项。产业化成果包括：大功率电机用的高压变频器、动态无功补偿装置、有源电力滤波器、以及应用于电力系统及新能源领域测试专用的高电压大功率试验电源等。

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作者介绍

张静怡，2000年出生于河南。于2025年获得武汉大学电气工程硕士学位。目前就职于南瑞集团公司研究院（国家电网电力科学研究院）。她的研究兴趣包括电力电子、海上风力发电和模块化多电平转换器（MMC）。

阳慧如，2003年出生于湖北。于2025年获得武汉大学电气工程学士学位。目前，她正在武汉大学电气工程与自动化学院攻读电气工程硕士学位。她的研究兴趣包括风力发电的建模、控制和惯性响应特性。

田震(Member, IEEE)，2014年，获得武汉大学电气工程学士学位，2019年获得上海交通大学控制科学与工程博士学位。2017年至2019年，他是美国芝加哥伊利诺伊理工学院电气与计算机工程系的访问学者。他目前是武汉大学电气与自动化学院的博士后研究员。他的研究兴趣主要包括可再生能源发电、微电网和电力电子驱动电力系统的建模、控制和稳定性分析。

黄萌(Member, IEEE)，2006年和2008年分别获得华中科技大学电子科学与技术学士和硕士学位，2013年获得香港理工大学电气工程博士学位。他目前是武汉大学电气工程与自动化学院教授。他的研究兴趣包括功率转换器的非线性分析和电力电子可靠性。黄博士是2016年IEEE电力电子学报最佳论文奖获得者。他是IEEE电力电子新兴和选定主题杂志、IEEE电路和系统新兴和选定话题杂志的客座副主编，以及IEEE Access的副主编。

冯攀，2002年出生于河北省邢台市。于2023年获得四川大学电气工程学士学位。目前，他正在武汉大学攻读电气工程博士学位。他的研究兴趣包括基于虚拟同步发电机和基于直流链路电压同步的并网变流器的建模和稳定性分析。

刘飞(Senior Member, IEEE)，2008年获得华中科技大学电气与电子工程学院电气工程博士学位。现任武汉大学电气工程与自动化学院教授、博士生导师。他的研究兴趣包括分布式光伏（PV）-储能充电接入直流配电系统、多变流器相互作用和并网光伏电站的协调控制、智能电网和新能源发电中的电力电子技术，以及智能建筑中的光伏-储能转换和信息融合。

陈哲，2022年，她获得上海交通大学电气工程硕士学位。目前，她是国家电网上海电力研究院的工程师。她的研究兴趣包括高压直流输电、可再生能源集成以及电力电子在电力系统中的应用。

黄阮明，国家电网上海电力公司的高级专家。现任上海交通大学企业硕士生导师、武汉大学兼职硕士生导师，哈尔滨工业大学、上海电力大学特聘教师。主持国家重大科技项目，获得30多项科技进步奖，获得40多项发明专利，发表学术论文130多篇，主持开发国际领先的海上风电三维虚拟现实设备，其事迹被主流媒体报道。

查晓明(Member, IEEE)，1967年出生于怀宁。分别于1989年、1992年和2001年获得武汉大学电气工程学士、硕士和博士学位。2001年至2003年，他是加拿大阿尔伯塔大学的博士后研究员。自1992年以来，他一直是武汉大学的教员，并于2003年成为教授。他目前是武汉大学电气工程学院的副院长。他的研究兴趣包括电力电子变换器、电力电子在智能电网和可再生能源发电中的应用、微电网的分析和控制、电能质量的分析与控制以及高压大功率电动机的频率控制。

《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》(CES TEMS)是中国电工技术学会和中国科学院电工研究所共同主办、IEEE PELS学会技术支持的英文学术期刊。期刊发表国内外有关高性能电机系统、电机驱动、电力电子、可再生能源系统、电气化交通等研发及应用领域中原创、前沿学术论文。中国工程院院士马伟明担任主编，IEEE的执委Don Tan博士为国际主编。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中国科学引文数据库(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知网、万方、维普等数据库收录。