基于6脉动换流器的高压直流输电系统仿真模型

资 源 简 介

本模型旨在提供一个完整的高压直流输电（HVDC）系统动态仿真平台，核心采用经典的正负极6脉动晶闸管换流桥结构。系统集成了整流站、逆变站、换流变压器、交流滤波器、平波电抗器以及长距离直流输电线路。模型实现了先进的闭环控制逻辑，包括整流侧的定电流控制（CC）以及逆变侧的定电压控制或定熄弧角控制。通过该模型，用户可以模拟系统在不同工况下的运行特性：首先是参考电流变化测试，能够实时调整直流电流的给定值，观察系统在跟踪指令过程中的响应速度、超调量及调节时间；其次是故障模拟功能，支持在交流侧或直流侧设置多种故障类型，

详 情 说 明

基于6脉动换流器的高压直流输电系统仿真项目说明

项目介绍

本项目实现了一个基于MATLAB的高压直流输电（HVDC）系统动态仿真平台。系统核心采用经典的正负极6脉动晶闸管换流桥结构，模拟了从整流站、直流输电线路到逆变站的完整能量传输过程。该仿真模型旨在研究直流系统在闭环控制下的稳态运行特性、动态响应能力以及在电网故障工况下的鲁棒性，特别关注电流阶跃响应和电压跌落对系统稳定性的影响。

功能特性

• 闭环控制系统：集成了整流侧定电流（CC）控制，通过PI调节器实时调整触发角。
• 动态工况模拟：支持在运行过程中实时修改直流电流给定值，验证系统的跟踪性能。
• 故障场景仿真：能够模拟逆变侧交流电压跌落故障，用于观测换相失败风险及控制器的代偿行为。
• 电磁暂态计算：基于一阶电路微分方程，利用数值计算方法求解直流电流的动态过程。
• 谐波与频谱分析：自动合成交流侧6脉动电流波形，并进行快速傅里叶变换（FFT），分析谐波分布规律。
• 结果直观展示：多维度图表输出，涵盖电压、电流、控制角、局部波形细节及系统运行统计报告。

使用方法

1. 环境准备：确保计算机已安装MATLAB（建议R2016b及以上版本）。
2. 参数配置：在主程序起始部分的系统参数配置区，可以根据研究需求调整交流电压、直流线路阻抗、平波电抗器感值以及PI控制器的增益系数。
3. 执行仿真：直接运行模拟主程序，系统将依次执行初始化、动态循环计算和数据后处理。
4. 结果分析：仿真结束后，系统将自动弹出仿真曲线对比图，并在控制台输出关于稳态误差、超调量及故障响应的性能指标。

系统要求

• 软件环境：MATLAB
• 硬件要求：主频2.0GHz以上CPU，4GB以上内存，能够支持高频率采样点（10kHz）的连续计算。

实现逻辑说明

仿真程序的执行严格遵循以下逻辑流程：

1. 参数初始化：定义采样频率（10kHz）和总时长（1s）。设定230kV交流系统、换流变压器变比、直流线路电阻及电感。
2. 动态调节指令：

- 在仿真时间达到0.3秒至0.6秒之间，程序自动将电流指令值从1000A提升至1200A，形成阶跃激励。 - 在0.7秒至0.8秒之间，引入0.6的电压跌落因子，模拟逆变侧交流电压故障。

1. 循环仿真核心：

- PI控制器实现：获取当前电流误差，进行积分累加，根据PI控制算法计算整流侧触发角。 - 换相压降计算：基于换相电感和当前直流电流，计算整流侧和逆变侧的平均直流电压降。 - 直流电压建模：基于受控触发角和交流电压有效值，计算整流端输出电压；在此过程中，逆变侧维持最小熄弧角控制。 - 电流数值解法：采用一阶欧拉法求解直流电感电流的微分方程，并考虑晶闸管的单向导电性，防止电流反向。 - 交流合成逻辑：根据当前的相位角度和触发角，将直流电流映射为三相交流侧的典型准方波波形。

1. 数据展示与评价：利用FFT分析稳态段的谐波幅值，并实时计算最大超调量和电流跌落深度等性能指标。

关键算法与细节分析

• 定电流控制算法：整流侧采用PI控制逻辑，公式中包含了限幅环节，确保触发角在5度至165度之间，防止换流器进入异常工作区。
• 换相过程模拟：虽然在本宏观模型中未对每一个晶闸管的开关瞬态建模，但通过在电压方程中引入3/pi * omega * Lc * Id项，准确地模拟了由于换相重叠现象导致的直流电压降。
• 逆变侧安全策略：在检测到交流电压跌落期间，程序自动增加熄弧角裕度，以降低逆变器发生换相失败的概率。
• 频谱分析：采用2000个采样点进行FFT变换，能够精确识别出6脉动换流器产生的特征谐波。
• 动态方程求解：通过L dId/dt = Vdc_rec - Vdc_inv - Id * R这一核心方程，将输电线路及其两端的换流站耦合在一起，构成了系统的动态骨架。