MATLAB基于转换器 (MMC) 技术和电压源转换器 (VSC) 的高压直流 (HVDC) 模型附Matlab代码

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🔥 内容介绍

在现代电力系统中，高压直流（HVDC）输电技术凭借其在远距离大容量电力传输、异步电网互联等方面的显著优势，成为能源互联网建设的关键支撑技术。其中，基于电压源转换器（VSC）的 HVDC 技术（VSC-HVDC）突破了传统直流输电对交流系统稳定性的依赖，而模块化多电平转换器（MMC）作为新一代 VSC 拓扑，更是以其优异的谐波性能、可扩展性和容错能力，成为高压大容量场合的主流选择。MATLAB 作为电力系统仿真与建模的权威平台，为 VSC-HVDC 和 MMC-HVDC 模型的构建与分析提供了强大的工具支持，助力科研与工程人员深入研究其运行特性与控制策略。

一、VSC-HVDC 与 MMC-HVDC 的技术基础

（一）电压源转换器（VSC）的基本原理

电压源转换器以全控型电力电子器件（如 IGBT）为核心，通过脉宽调制（PWM）技术实现直流侧与交流侧的能量转换。其直流侧通常并联电容以维持电压稳定，交流侧通过连接电抗器与电网耦合。与传统的电流源转换器（CSC）相比，VSC 具有以下特点：

• 有功与无功独立控制：通过矢量控制技术，可分别调节输出有功功率和无功功率，为交流系统提供电压支撑；

• 无需换相失败：全控器件的使用摆脱了对交流系统换相电压的依赖，提高了系统运行的稳定性；

• 适应弱电网：在连接新能源电站等弱交流系统时，仍能保持稳定运行。

VSC 的基本拓扑包括两电平、三电平结构，但其在高压大容量场合存在器件耐压要求高、谐波含量大等局限，推动了 MMC 等新型拓扑的发展。

（二）模块化多电平转换器（MMC）的拓扑与优势

MMC 由多个结构相同的子模块（SM）级联而成，每相通常分为上桥臂和下桥臂，每个桥臂包含 N 个子模块和一个桥臂电抗器。子模块多采用半桥或全桥结构，半桥子模块（HBSM）由两个 IGBT 和一个储能电容组成，可输出 0 或电容电压两种状态；全桥子模块（FBSM）则能输出正负电容电压或零，具备直流故障清除能力。

MMC 的核心优势体现在：

• 阶梯波输出：通过子模块投切组合，输出电压接近正弦波，谐波含量极低，无需大量滤波装置；

• 模块化设计：子模块的标准化使系统易于扩展，可通过增加子模块数量提升电压等级；

• 冗余运行：单个子模块故障时可快速旁路，不影响整体系统运行，可靠性高。

在高压直流输电中，MMC 已成为主流拓扑，广泛应用于 ±800kV 等特高压工程。

二、MATLAB 中 VSC-HVDC 模型的构建

（一）主电路建模

在 MATLAB/Simulink 环境中，可利用 SimPowerSystems 工具箱搭建 VSC-HVDC 主电路模型，主要包括：

1. VSC 换流站：采用两电平或三电平拓扑，选用 IGBT 器件模型，设置开关频率、直流电容值等参数。通过受控电压源模拟 PWM 输出，或直接调用内置的 VSC 模块（如 “Voltage Source Converter”）。

1. 连接电抗器与变压器：交流侧连接电抗器用于限制短路电流和滤除高频谐波，变压器则实现电压匹配与隔离，需设置额定容量、变比、漏抗等参数。

1. 直流线路：根据输电距离选择合适的模型，短距离可采用集中参数 RC 模型，长距离则需考虑分布参数特性，调用 “PI Section Line” 模块模拟。

1. 交流系统：用理想电压源串联阻抗模拟交流电网，或接入同步发电机模型以研究互联系统动态特性。

（二）控制策略实现

VSC-HVDC 的控制采用分层结构，包括底层阀级控制和上层系统级控制，在 MATLAB 中可通过以下方式实现：

1. 电流内环控制：采用 dq 坐标系下的矢量控制，将交流侧电流分解为有功分量（d 轴）和无功分量（q 轴），通过 PI 调节器实现闭环控制。目标是使实际电流跟踪指令值，响应速度可达毫秒级。

1. 功率外环控制：根据系统需求设定有功功率和无功功率指令。整流侧通常采用定直流电压 + 定无功功率控制，逆变侧采用定有功功率 + 定交流电压控制，通过协调控制实现功率的稳定传输。

1. PWM 调制：采用正弦脉冲宽度调制（SPWM）或空间矢量调制（SVM），在 Simulink 中可通过 “PWM Generator” 模块生成触发脉冲，控制 IGBT 的导通与关断。

（三）仿真与验证

搭建模型后，需进行仿真验证以确保其正确性：

• 稳态仿真：运行仿真至稳态，观察直流电压、交流电流、有功 / 无功功率的波形，验证是否达到设计值，谐波含量是否满足要求（可通过 “Harmonic Analyzer” 工具分析）。

• 动态仿真：模拟负荷突变、交流系统故障等工况，观察系统的暂态响应，评估控制策略的调节速度和稳定性。例如，当逆变侧负荷增加时，整流侧应快速提升有功输出，维持直流电压稳定。

三、MATLAB 中 MMC-HVDC 模型的构建

（一）子模块与桥臂建模

MMC 的核心是子模块级联结构，在 MATLAB 中需精细化建模：

1. 子模块模型：针对半桥或全桥子模块，搭建包含 IGBT、二极管、电容和旁路开关的电路。通过 “Subsystem” 封装子模块，定义输入（触发信号）和输出（端口电压、电流），便于批量调用。

1. 桥臂与相单元：每相上、下桥臂由 N 个子模块串联桥臂电抗器组成。在 Simulink 中，可通过复制子模块并设置参数实现级联，用 “Sum” 模块计算桥臂总电压，用 “Current Measurement” 监测桥臂电流。

1. 环流抑制：MMC 存在桥臂环流（主要为二次谐波），需在控制中加入环流抑制环节。通过检测上、下桥臂电流差值提取环流分量，经 PI 调节后生成补偿信号，叠加到桥臂电压指令中。

（二）电容电压平衡控制

MMC 子模块电容电压的均衡性是系统稳定运行的关键，控制策略在 MATLAB 中的实现包括：

1. 排序算法：实时采集所有子模块的电容电压，按大小排序。根据桥臂电流方向和电压指令，选择电压最高的子模块切除（放电）或电压最低的子模块投入（充电），通过 “Sort” 和 “Switch Case” 模块实现逻辑判断。

1. 电压分层控制：采用底层单个电容电压平衡与上层桥臂平均电压控制相结合的方式。桥臂平均电压通过 PI 调节器跟踪指令值，生成子模块投入数量的基准，再由排序算法实现个体均衡。

（三）仿真关键参数设置

MMC 模型的参数设置直接影响仿真精度和效率，需重点关注：

• 子模块数量（N）：N 越大，输出波形越接近正弦波，但仿真复杂度增加。实际仿真中可根据需求选择 10-100 个子模块 / 桥臂，兼顾精度与速度。

• 电容值与桥臂电抗：子模块电容需满足能量缓冲需求，通常根据电压波动允许范围（如 ±5%）设计；桥臂电抗用于限制环流和故障电流，一般取值为系统阻抗的 10%-20%。

• 仿真步长：由于子模块开关频率较高（通常 1-10kHz），仿真步长需设置为微秒级（如 1e-6s），并启用变步长求解器（如 “ode23tb”）以提高效率。

四、MATLAB 建模的关键工具与技术

MATLAB 为 VSC-HVDC 和 MMC-HVDC 建模提供了丰富的工具链，核心包括：

1. SimPowerSystems 工具箱：提供了电力电子器件（IGBT、二极管）、线路、变压器等基础元件模型，以及 “VSC”“MMC” 等专用模块，支持快速搭建主电路。

1. Control System Toolbox：用于设计 PI 调节器、滤波器等控制环节，通过 “Bode Diagram”“Root Locus” 工具分析控制系统的稳定性和动态性能。

1. Stateflow：针对 MMC 复杂的子模块排序和故障处理逻辑，可采用状态流图可视化编程，简化控制逻辑的实现。

1. Parallel Computing Toolbox：对于大规模 MMC 模型（如数百个子模块），可启用并行计算加速仿真，缩短运行时间。

在建模过程中，需注意接口匹配（如控制信号与功率器件的连接）和参数一致性（如额定电压、功率的统一），避免仿真报错或结果失真。

五、模型应用与发展方向

（一）典型应用场景

MATLAB 构建的 VSC-HVDC 和 MMC-HVDC 模型可广泛应用于：

• 新能源并网：模拟风电、光伏通过 VSC-HVDC 接入主网的特性，研究功率波动抑制、低电压穿越等问题。

• 电网互联：分析异步电网（如不同频率的交流系统）通过 HVDC 互联的稳定性，优化控制策略以提高暂态响应能力。

• 直流电网研究：搭建多端 MMC-HVDC 模型，探索直流电压控制、功率分配、故障隔离等关键技术，为未来直流电网规划提供支撑。

（二）未来发展趋势

随着电力电子技术的进步，MATLAB 模型将向更高精度、更复杂场景拓展：

1. 精细化建模：考虑器件开关损耗、温度特性等细节，结合 PSCAD/EMTDC 等工具进行联合仿真，提高模型的工程实用性。

1. 数字孪生应用：将 MATLAB 模型与实际工程数据对接，构建 HVDC 系统的数字孪生体，实现状态监测与寿命预测。

1. 人工智能融合：在控制策略中引入强化学习、神经网络等算法，通过 MATLAB 的深度学习工具箱实现自适应控制，提升系统应对复杂工况的能力。

总结

MATLAB 为基于 VSC 和 MMC 技术的 HVDC 模型提供了便捷、高效的建模平台，从主电路搭建到控制策略实现，再到仿真分析，形成了完整的工作流。通过该平台，科研人员可深入研究 VSC-HVDC 的动态特性和 MMC 的模块化控制，为高压直流输电技术的创新与应用提供有力支撑。随着能源转型的推进，基于 MATLAB 的 HVDC 建模研究将在构建新型电力系统中发挥越来越重要的作用。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 张桂斌,徐政,王广柱.基于VSC的直流输电系统的稳态建模及其非线性控制[J].中国电机工程学报, 2002, 22(1):17-22.DOI:10.3321/j.issn:0258-8013.2002.01.004.

[2] 陈谦,唐国庆,胡铭.采用dq0坐标的VSC-HVDC稳态模型与控制器设计[J].电力系统自动化, 2004, 28(16):6.DOI:10.3321/j.issn:1000-1026.2004.16.014.

[3] 韦延方,卫志农,孙国强,等.一种新型的高压直流输电技术——MMC-HVDC[J].电力自动化设备, 2012, 32(7):9.DOI:10.3969/j.issn.1006-6047.2012.07.001.

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