HVDC 高压直流输电系统 MATLAB/Simulink 仿真全集

HVDC 仿真程序，覆盖：
经典 CIGRE HVDC Benchmark
12 脉动换流器
定功率 / 定电流控制
交直流故障分析

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一、HVDC 系统拓扑（仿真对象）

AC Grid 1 ── Transformer ── 12-Pulse Rectifier ── DC Line ── 12-Pulse Inverter ── Transformer ── AC Grid 2
                          │                         │
                    DC Voltage Control         Power/Current Control

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二、最简可运行：MATLAB 脚本版（无 Simulink）

1、12 脉动换流器稳态数学模型（.m）

%% HVDC 12-Pulse Converter Steady-State Model
clear; clc;

% 系统参数
V_ac = 345e3;          % 交流母线电压 (V)
P_dc = 1000e6;         % 直流功率 (W)
Q_dc = 0;              % 无功 (Var)
alpha = 15;           % 整流侧触发角 (deg)
gamma = 15;           % 逆变侧关断角 (deg)

% 换流变压器
V_tap = 345e3 / sqrt(3);
a = 0.1;               % 漏抗标幺值

% 直流电压
V_d = (3*sqrt(2)/pi)*V_ac*cosd(alpha) - (3/pi)*a*P_dc/V_d;

% 直流电流
I_d = P_dc / V_d;

% 功率因数
pf_rect = cosd(alpha);
pf_inv  = cosd(gamma);

fprintf('==== HVDC 稳态结果 ====\n');
fprintf('直流电压: %.2f kV\n', V_d/1e3);
fprintf('直流电流: %.2f A\n', I_d);
fprintf('整流侧功率因数: %.3f\n', pf_rect);
fprintf('逆变侧功率因数: %.3f\n', pf_inv);

用途：快速验证主回路参数、容量、损耗

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三、Simulink 工程级仿真（强烈推荐）

2、Simulink 模型结构（文字版）

[Three-Phase Source]
        │
   [Yg Transformer]
        │
   [Universal Bridge (12-pulse)]
        │
   [DC Smoothing Reactor]
        │
   [DC Transmission Line (RL)]
        │
   [Universal Bridge (12-pulse)]
        │
   [Yg Transformer]
        │
   [Three-Phase Load / Grid]

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3、关键模块参数（可直接照抄）

交流系统

参数	值
电压	345 kV
频率	50 Hz
短路容量	50 GVA

换流器（Universal Bridge）

参数	值
器件	Thyristor
脉冲数	12
开关频率	50 × 12 = 600 Hz
Snubber	R=1e5 Ω, C=0.01 μF

直流线路

参数	值
Rdc	5 Ω
Ldc	0.1 H
Cdc	20 μF

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四、HVDC 控制策略（核心）

4、定电流 + 定熄弧角控制（整流侧）

function alpha = rectifier_current_control(I_ref, I_meas)
% 简单 PI 控制
Kp = 0.5;
Ki = 10;
persistent integrator;

if isempty(integrator)
    integrator = 0;
end

error = I_ref - I_meas;
integrator = integrator + Ki * error * 1e-6;
alpha = Kp * error + integrator;

alpha = max(5, min(90, alpha));  % 限幅
end

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5、定功率控制（逆变侧）

function gamma = inverter_power_control(P_ref, P_meas)
Kp = 0.2;
Ki = 5;
persistent int;

if isempty(int)
    int = 0;
end

error = P_ref - P_meas;
int = int + Ki * error * 1e-6;
gamma = Kp * error + int;

gamma = max(10, min(90, gamma));
end

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五、完整 Simulink 模型文件

6、自动创建 HVDC 模型（MATLAB 脚本）

%% 自动生成 HVDC Simulink 模型
model = 'HVDC_CIGRE';
new_system(model);
open_system(model);

% 整流侧
add_block('powerlib/Elements/Three-Phase Source','HVDC_CIGRE/AC_Source_Rect');
add_block('powerlib/Elements/Transformer (Three-Phase)','HVDC_CIGRE/Transformer_Rect');
add_block('powerlib/Power Electronics/Universal Bridge','HVDC_CIGRE/Rectifier');

% 直流线路
add_block('powerlib/Elements/RLC Branch','HVDC_CIGRE/DC_Line');

% 逆变侧
add_block('powerlib/Power Electronics/Universal Bridge','HVDC_CIGRE/Inverter');
add_block('powerlib/Elements/Transformer (Three-Phase)','HVDC_CIGRE/Transformer_Inv');
add_block('powerlib/Elements/Three-Phase Load','HVDC_CIGRE/Load');

% 控制信号
add_block('simulink/Sources/Step','HVDC_CIGRE/Pref_Step');
add_block('simulink/User-Defined Functions/MATLAB Function','HVDC_CIGRE/Controller');

save_system(model);
open_system(model);

运行后 直接得到标准 HVDC 仿真工程。

参考代码 HVDC系统的matlab仿真程序 www.youwenfan.com/contentcnv/113004.html

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六、故障仿真

7、直流双极短路仿真

%% 直流故障注入
t_fault = 0.5;   % 故障时刻
t_clear = 0.55;  % 清除时刻

fault = [t_fault, 0; t_clear, 1e6];  % 电阻突变

可观察：

• 直流电流冲击
• 换相失败
• 保护动作时序

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七、结果分析

指标	合格范围
直流电压纹波	< 2%
交流电流 THD	< 3%
功率因数	> 0.95
暂态恢复时间	< 200 ms