柔直输电新范式：通过自适应混合同步控制强化海上风电构网能力

TL;DR

随着大规模海上风电接入，电网正由传统同步机主导向电力电子设备（IBRs）转型，这对 VSC-HVDC 系统的“主动支撑能力”提出了严峻挑战。本文提出了一种自适应混合同步控制策略，通过动态融合 GFL 和 GFM 的优势，让接收端换流器在强、弱电网环境下均能保持稳定，并能在严重的交流故障中实现“不闭锁穿越”。

1. 痛点：为什么传统控制在海上风电场景中失灵？

传统的 VSC-HVDC 接收端通常作为“跟网者”（Grid-following），它们像电网的追随者，必须依赖锁相环（PLL）来确定电压相位。但在海上风电远距离输电中，接收端往往面临**低短路比（SCR）**的弱电网环境。此时，PLL 的动态过程会与电网强烈耦合，轻则引发振荡，重则导致系统崩溃。

然而，强行将换流器改为完全的“构网型”（Grid-forming）也非稳妥之策：

• 强电网不耐受：构网型控制表现出电压源特征，在强电网下电压调节极其敏感，容易失稳。
• 故障过流隐患：半导体器件的过载能力仅 1.1-1.3 倍，远低于同步电机的 3-5 倍，构网型控制在短路瞬间会产生巨大的冲击电流。

2. 核心机制：自适应混合同步

作者提出了一种精妙的同步方案，其核心在于一个非线性的相位产生方程：

该控制器引入了一个自适应系数 $k_a$：

1. 直流电压同步环：利用直流侧电容的动态模拟转子惯量（GFM 特性），提供频率支撑。
2. PLL 修正项：作为“虚拟阻尼绕组”（GFL 特性），抑制暂态振荡。

物理直觉：当电网变强时，减小 $k_a$ 以增强 GFL 的稳态性能；当发生电压跌落时，通过减小 $k_a$ 降低等效有功参考值，从而扩大减速面积，防止功角发散。

3. 故障救星：基于虚拟阻抗的限流策略

为了避免换流器在故障时因为过流而保护跳闸（Blocking），本文引入了虚拟阻抗（Virtual Impedance, VI）。

不同于直接电流限制（Hard Clamping）可能导致的相位丢失，虚拟阻抗通过在控制算法中模拟一个电感或电阻，增加了系统的等效输出阻抗。

• 动态调整：作者设计的 VI 由固定分量 $Z_{v0}$ 和根据故障电流幅值动态变化的自适应分量 $Z_{add}$ 组成，确保电流始终在 1.3 p.u. 的安全阈值内。

4. 实验验证：从极弱电网到极强电网

通过 PSCAD/EMTDC 平台的 1000MW 海上风电系统模型，本文展示了显著的性能提升：

• 全场景适应：在 SCR 从 1.5（极弱）切换到 50（极强）的过程中，混合同步控制均能保持无振荡运行，其稳健性远超传统的构网型方法。
• 故障表现对比：如图所示，传统同步控制（Control 1）在故障后立即失步，而本文方案（Control 4）不仅保持同步，还完美限制了电流。

5. 深度洞察与总结

学术价值：本文跳出了“非 GFM 即 GFL”的二元论框架，通过对直流侧动态的深度利用，实现了控制目标的多准则优化。

工程价值：该方案不依赖通信，特别适合海上风电这种点对点的无辅助电源场景。它告诉我们，要解决新型电力系统的稳定性问题，必须让逆变器“模仿”同步机，但又不能“完全照搬”同步机。

局限性：尽管实验验证了其有效性，但大规模风场间的协调运行以及更精细的小信号建模仍是未来需要攻克的难点。