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

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

Abstract

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

CLC Number:

TM712

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.

Figures/Tables 16

Fig.1

Fig.2

Table 1

Fig.3

Table 2

Fig.4

Table 3

Fig.5

Table 4

Relative gain matrix between different control loops"

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	－	$Δ u p c c_r e f Δ i c i r d_r e f Δ i c i r q_r e f Δ u d_r e f m Δ u c i r d c Δ u c i r q c 1.068 0.001 - 0.068 - 0.068 0.999 0 00 1.068$

Table 4

Fig.6

Table 5

Fig.7

Fig.8

Table 6

Fig.9

Fig.10

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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