高压直流输电HVDC系统建模与故障仿真分析

资 源 简 介

本项目构建了一个完整的高压直流输电（HVDC）系统仿真模型，主要针对点对点12脉波换流技术进行研究。模型详细包含了交流侧电源、换流变压器、整流器单元、逆变器单元、直流滤波器、平波电抗器以及长距离直流传输线路。 该项目实现了完整的闭环控制逻辑，整流侧采用定电流控制以维持输电电流稳定，逆变侧采用定熄灭角控制或定电压控制以保证系统运行的安全性与经济性。 系统不仅能够模拟稳态下的功率传输过程，还支持暂态工况下的动态响应分析，例如交流侧对地短路、直流线路短路故障、负载突变以及步进电流指令跟踪。 该模型经过严格测试，

详 情 说 明

高压直流输电(HVDC)系统建模与仿真分析

项目介绍

本项目通过MATLAB脚本实现了一个高压直流输电（HVDC）系统的数学建模仿真。该模型聚焦于点对点12脉波换流器架构，模拟了从交流侧电源经过换流变压器、整流及逆变设备，最终通过长距离直流线路传输功率的全过程。系统不仅包含了基本的物理拓扑模型，还集成了完整的闭环控制策略，能够有效模拟系统在稳定运行、指令变更及外部故障条件下的动态响应过程。

功能特性

1. 12脉波换流器模拟：通过数学建模准确反映12脉波整流与逆变过程中的电压与电流特性。
2. 双侧闭环控制系统：整流侧配备定电流控制器，逆变侧配备定电压/定熄灭角控制器，确保输电过程的稳定可靠。
3. 暂态故障模拟：支持交流侧电压跌落故障模拟，展现系统在扰动下的自我调节与恢复能力。
4. 电学特性分析：具备直流电压、电流、控制角、有功/无功功率的多维度动态监测。
5. 谐波与THD计算：内置FFT算法对交流侧电流进行频谱分析，并实时计算总谐波畸变率（THD）。
6. 可视化输出：通过六路关键信号对比图展现系统的电磁暂态特征。

使用方法

1. 环境准备：确保安装有MATLAB R2016b或更高版本。
2. 运行仿真：直接在MATLAB编辑器中打开并运行仿真脚本，系统将自动开始迭代计算。
3. 结果查看：仿真结束后，程序会自动弹出波形图窗口，并在控制台输出稳态电压、电流、功率以及THD分析等关键性能指标。
4. 参数调整：用户可根据研究需求修改脚本中的PI增益、滤波器参数或故障发生时间进行对比实验。

系统要求

• 软件环境：MATLAB (包含基础信号处理函数库)
• 硬件环境：建议4GB RAM及以上
• 知识背景：建议具备电力系统分析与电力电子技术基础

仿真逻辑与实现细节

仿真过程遵循严谨的电磁暂态计算流程，主要逻辑分为以下五个阶段：

一、 系统参数与初始化 脚本设定了500kV交流侧标准及2000A额定电流标准。通过指定采样频率(10kHz)和时间步长，建立离散化的仿真环境。同时初始化换流变压器变比、换相电抗(Xc)以及直流线路的电阻、电感和电容参数。

二、 控制逻辑实现

1. 整流侧PI控制：采集实时直流电流，与给定参照值对比，利用比例-积分（PI）算法调节触发角Alpha。Alpha被严格限制在5度至90度之间，以符合电力电子变换器物理特性。
2. 逆变侧PI控制：监控逆变侧直流电压，通过PI控制器调节熄灭角Gamma，以维持系统电压水平。控制器内置限幅逻辑，保证熄灭角处于合理的安全范围内。

三、 换流器数学模型 (平均值模型) 系统采用12脉波换流器的经典电压方程。整流和逆变电压的计算综合考虑了交流侧母线电压峰值、触发角/熄灭角以及换相过程产生的电压降落。通过Vac与控制角的余弦关系，动态生成各时刻的直流端电压。

四、 直流系统动态求解 利用一阶差分方程（欧拉法）对直流线路的微分方程进行数值求解。通过电压差、线路电阻与电感的相互作用，计算出电流的变化率并进行实时累加。脚本还包含了防反向电流逻辑，确保单向输电特性的准确。

五、 后处理与评估算法

1. 瞬态波形合成：为弥补平均值模型在可视化上的不足，系统通过正弦分量叠加技术，合成了包含12脉波特征波纹的纹波电压及交流侧电流脉冲。
2. 频谱分析：从仿真数据的稳态段提取交流电流采样值，执行FFT变换。计算各次谐波能量，并依据基波功率计算THD，用以量化电能质量。

关键函数与算法说明

1. 闭环反馈调节：通过误差累加实现积分效应，消除稳态余差，保证电流和电压能够精确跟踪指令值。
2. 变流器压降模型：模型精细化考虑了换相电抗(Xc)对直流电压的影响，动态模拟了换相重叠角导致的电压损耗。
3. 故障触发器：通过时间判定逻辑，在指定区间内通过比例缩放交流电压有效值，模拟真实的电网对称故障。
4. 功率流计算：实时计算瞬时有功功率(P)和基于触发角正切关系的感性无功功率(Q)，直观反映HVDC换流站的功率特性。
5. 自动绘图引擎：整合多组绘图指令，自动完成时间尺度与量纲的适配，生成包含直流动态、角度响应、交流波形、功率特征、频谱分布及故障细节的高清图表。