双馈风电场经MMC-HVDC并网系统次/超同步振荡中交互作用的定量分析

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.240078

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (5): 118-129.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.240078

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双馈风电场经MMC-HVDC并网系统次/超同步振荡中交互作用的定量分析

朱林¹, 赵心悦¹^,², 钟丹婷¹, 武志刚¹, 管霖¹

^1.华南理工大学电力学院，广东广州 510640
^2.国网湖北省电力有限公司技术培训中心（武汉电力职业技术学院），湖北武汉 430079

收稿日期:2024-02-20 出版日期:2025-05-25 发布日期:2024-07-22
作者简介:朱林（1979—），男，博士，副教授，主要从事新能源并网、电力系统稳定与控制研究。E-mail： zhul@scut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金联合基金项目(U22B6007);广东省基础与应用基础研究基金项目(2024B1515250001);广东电网有限责任公司科技项目(GDKJXM20220147)

Quantitative Analysis of Interaction in Sub/Super-Synchronous Oscillation of Double-Fed Wind Farm Integrated into Grid Through MMC-HVDC System

ZHU Lin¹, ZHAO Xinyue¹^,², ZHONG Danting¹, WU Zhigang¹, GUAN Lin¹

^1.School of Electric Power Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China
^2.State Grid Hubei Technical Training Center （Wuhan Electric Power Technical College），Wuhan 430079，Hubei，China

Received:2024-02-20 Online:2025-05-25 Published:2024-07-22
About author:朱林（1979—），男，博士，副教授，主要从事新能源并网、电力系统稳定与控制研究。E-mail： zhul@scut.edu.cn
Supported by:
the Joint Funds of the National Natural Science Foundation of China(U22B6007);Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2024B1515250001)

摘要/Abstract

摘要：

为定量研究双馈风电场经MMC-HVDC并网系统控制回路间的交互作用对次/超同步振荡的影响，提出一种结合模态分析法和相对增益矩阵法的分析方法。首先，建立了双馈风电场经MMC-HVDC并网系统的小信号模型，并将其与电磁暂态仿真模型进行阶跃响应对比，验证了小信号模型的正确性；接着，采用模态分析法确定了影响系统稳定性的主导次/超同步振荡模式，通过参与因子的计算得到了振荡模式的主要参与变量，为后续不同控制环节之间的交互作用影响分析奠定了基础；然后，引入相对增益矩阵证实交互作用的存在，量化并比较主导振荡模式主要变量所在的控制回路间交互作用的强弱，将后续研究定位于风电场的转子侧换流器控制回路和MMC-HVDC中的定V/f控制回路；最后，根据相对增益矩阵的数值随影响因素的变化，定量评价了系统并网的电气距离及控制器参数对控制回路间交互作用程度的影响，并通过时域仿真法进行了验证。研究发现，当电气距离增加或MMC-HVD侧的定V/f控制比例系数增大时，双馈风机侧的RSC控制回路与定V/f控制回路间的交互作用增大，系统的稳定性减弱。

关键词: 双馈风电场, MMC-HVDC技术, 次/超同步振荡, 相对增益矩阵, 交互作用

Abstract:

To quantitatively investigate the impact of interactions among control loops in a double-fed wind farm integrated with the grid via an MMC-HVDC system on sub-/super-synchronous oscillations, an analytical method combining modal analysis and relative gain array (RGA) is proposed. Firstly, a small-signal model of the double-fed wind farm integrated with the grid through MMC-HVDC is established, with its accuracy being verified by comparing its step response with that of an electromagnetic transient simulation model. Secondly, modal analysis is employed to identify the dominant sub-/super-synchronous oscillation modes affecting system stability, and the primary participating variables of these oscillation modes are determined through participation factor calculations, laying a foundation for subsequent analysis of the influence of interactions among different control loops. Thirdly, the RGA is introduced to confirm the existence of interactions, quantify and compare the strength of interactions among control loops associated with the primary variables of the dominant oscillation modes. This focuses subsequent research on the rotor-side converter (RSC) control loop of the wind farm and the fixed V/f control loop in the MMC-HVDC system. Finally, based on the variation of RGA values with influencing factors, the effects of the electrical distance of grid connection and the controller parameters on the degree of interaction among control loops are quantitatively evaluated and verified using time-domain simulation. The study reveals that, when the electrical distance increases or the proportional coefficient of the fixed V/f control on the MMC-HVDC side rises, the interaction between the RSC control loop on the double-fed wind turbine side and the fixed V/f control loop intensifies, leading to a decrease in system stability.

Key words: double-fed wind farm, MMC-HVDC technology, sub/super-synchronous oscillation, relative gain array, interaction

中图分类号:

TM712

朱林, 赵心悦, 钟丹婷, 武志刚, 管霖. 双馈风电场经MMC-HVDC并网系统次/超同步振荡中交互作用的定量分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(5): 118-129.

ZHU Lin, ZHAO Xinyue, ZHONG Danting, WU Zhigang, GUAN Lin. Quantitative Analysis of Interaction in Sub/Super-Synchronous Oscillation of Double-Fed Wind Farm Integrated into Grid Through MMC-HVDC System[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2025, 53(5): 118-129.

图/表 16

图1

图2

表1

图3

表2

图4

表3

图5

表4

不同控制回路之间的相对增益矩阵"

控制方式	RGA
控制方式	定V/f控制	环流抑制控制
RSC控制	$Δ P s_r e f Δ Q s_r e f Δ u p c c_r e f Δ u r d c Δ u r q c Δ u d_r e f m 0.743 - 0.175 0.431 - 0.002 0.958 0.044 0.259 0.217 0.524$	$Δ P s_r e f Δ Q s_r e f Δ i c i r d_r e f Δ i c i r q_r e f Δ u r d c Δ u r q c Δ u c i r d c Δ u c i r q c 1.002 - 0.002 00 - 0.002 1.002 00 00 1.000 0 000 1.000$
定V/f控制	－	$Δ u p c c_r e f Δ i c i r d_r e f Δ i c i r q_r e f Δ u d_r e f m Δ u c i r d c Δ u c i r q c 1.068 0.001 - 0.068 - 0.068 0.999 0 00 1.068$

表4

图6

表5

图7

图8

表6

图9

图10

参考文献 27

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控制器	参数	数值		控制器	参数	数值
转子侧	K_pp、K_p_q	0.2		网侧	K_ig	80
	K_ip、K_i_q	10		MMC	K_pv	1
	K_pir_d 、K_pir_q	2.5			K_iv	10
	K_iir_d 、K_iir_q	50			K_{p_cir}_d 、K_{p_cir}_q	0.8
网侧	K_pdc	0.2			K_{i_cir}_d 、K_{i_cir}_q	100
	K_idc	10	锁相环		K_{p_pll}	60
	K_pg	1	锁相环		K_{i_pll}	1 200

模式	特征值	频率/Hz	阻尼比
λ_1，2	-1 523.6±j680.49	108.30	0.913
λ_3，4	-8.24±j945.61	150.50	0.009
λ_5，6	-17.59±j626.95	99.78	0.028
λ_7，8	-418.26±j546.51	86.99	0.608
λ_9，10	-234.86±j202.22	32.18	0.758
λ_11，12	-62.38±j395.18	62.89	0.156
λ_13，14	-10.36±j237.01	37.72	0.044
λ_15，16	-118.5±j45.83	7.29	0.933
λ_17，18	-15.12±j19.94	3.17	0.604
λ_19，20	-19.25±j1.19	0.19	0.998
λ_21，22	-3.9±j1.68	0.27	0.918

模块	状态变量	归一化参与因子
模块	状态变量	模式λ_11，12	模式λ_13，14
DFIG	Δi_s_q	0.293	0.222
	Δi_s_d	0.019	0.011
	Δi_rs_q	0.051	0.056
	Δi_rs_d	0.049	0.031
MMC-HVDC	Δi_l2_q	0.254	0.243
	Δi_l2_d	0.232	0.179
	ΔU_c1_q	0.046	0.107
	ΔU_c1_d	0.037	0.120

线路阻抗（标幺值）	γ₃₃
线路阻抗（标幺值）	模式λ_13，14	模式λ_11，12
0.03	1.15	0.95
0.06	1.14	0.93
0.09	1.09	0.90
0.12	1.05	0.86
0.15	1.04	0.83

K_pv	γ₃₃
K_pv	模式λ_13，14	模式λ_11，12
0.4	1.04	0.901
0.7	1.06	0.901
1.0	1.10	0.902
1.3	1.11	0.904
1.6	1.12	0.910

双馈风电场经MMC-HVDC并网系统次/超同步振荡中交互作用的定量分析

Quantitative Analysis of Interaction in Sub/Super-Synchronous Oscillation of Double-Fed Wind Farm Integrated into Grid Through MMC-HVDC System

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