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

一、HVDC 技术概述

高压直流 (HVDC) 输电技术在远距离大容量输电、异步电网互联、海上风电并网等领域具有显著优势。传统 HVDC 采用晶闸管换流器 (LCC)，而基于电压源转换器 (VSC) 的 HVDC 技术因其可独立控制有功和无功、无需交流侧提供换相电压等优点，成为研究热点。模块化多电平转换器 (MMC) 作为 VSC 的一种拓扑结构，因其具有输出波形质量高、开关损耗低、易于扩展等优势，已成为 HVDC 的主流技术方案。

二、MMC 与 VSC 技术原理

1. 电压源转换器 (VSC)

VSC 基于全控型电力电子器件 (如 IGBT)，通过 PWM 调制技术实现直流到交流的转换。其基本结构包括直流电容、IGBT 桥臂和交流滤波器。VSC-HVDC 系统具有以下特点：

• 可独立控制有功和无功功率

• 可向无源网络供电

• 不存在换相失败问题

• 适合构成多端直流系统

2. 模块化多电平转换器 (MMC)

MMC 由多个子模块 (SM) 串联组成，每个子模块通常包含半桥或全桥结构和储能电容。典型的 MMC 拓扑结构包含三相，每相由上下两个桥臂组成，每个桥臂包含多个子模块和一个桥臂电抗器。MMC 的主要优点：

• 输出电压谐波含量低，无需大容量滤波器

• 开关损耗低，效率高

• 可扩展性好，适合高压大容量应用

• 子模块故障时可冗余运行

三、控制系统设计

1. MMC 控制系统

MMC 控制系统通常包含以下几个层次：

• 直流电压控制

  ：主站控制直流电压，维持系统功率平衡

• 有功 / 无功功率控制

  ：从站控制有功和无功功率

• 环流抑制控制

  ：抑制相间环流，减少损耗

• 子模块电容电压均衡控制

  ：确保各子模块电容电压均衡

2. VSC 控制系统

VSC 控制系统通常采用双闭环矢量控制结构：

• 外环控制

  ：直流电压控制和无功功率控制

• 内环控制

  ：d 轴和 q 轴电流控制

• PWM 调制

  ：生成 IGBT 驱动信号

四、仿真分析

1. 仿真参数设置

• 仿真时间：10 秒

• 采样时间：0.0001 秒

• 故障设置：在 t=5 秒时设置直流线路短路故障，t=5.1 秒故障清除

2. 性能指标分析

• 稳态性能：分析系统在额定工况下的电压、电流和功率波形

• 动态响应：分析系统在功率阶跃变化、故障等情况下的响应特性

• 谐波特性：分析交流侧和直流侧的谐波含量

五、应用领域

1. MMC-HVDC 应用

• 远距离大容量输电

• 海上风电并网

• 城市电网供电

• 异步电网互联

2. VSC-HVDC 应用

• 分布式电源并网

• 孤岛供电

• 城市电网增容改造

• 电力系统无功补偿

六、总结与展望

基于 MMC 和 VSC 的 HVDC 技术是现代电力系统的重要发展方向。MMC 因其模块化结构和优良性能，成为高压大容量 HVDC 的首选技术；而 VSC-HVDC 则在中低压、分布式电源并网等领域具有独特优势。

未来研究方向包括：

1. 新型 MMC 拓扑结构和调制策略研究

2. 多端直流系统和直流电网的控制与保护技术

3. HVDC 与新能源、储能系统的协同控制

4. 基于数字孪生的 HVDC 系统运行与维护技术

5. 高压大容量电力电子器件的研发与应用

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 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.

[2] 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.

[3] 郑超,周孝信,李若梅.新型高压直流输电的开关函数建模与分析[J].电力系统自动化, 2005, 29(8):4.DOI:10.3321/j.issn:1000-1026.2005.08.007.

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