探索高压直流输电MATLAB/simulink模型及换相失败相关要点

三种高压直流输电MATLAB/simulink模型（两种详细模型和一种平均值模型）+模型所有信号的含义、流向、推导（原来是本人的课题，自己总结的很详细）+换相失败原理、分类、抑制、改进措施梳理（也是自己总结的）

在电力系统领域，高压直流输电（HVDC）凭借其独特优势，在长距离、大容量输电中占据重要地位。今天咱们就来唠唠三种高压直流输电MATLAB/simulink模型，以及与之紧密相关的换相失败问题。

三种高压直流输电MATLAB/simulink模型

两种详细模型

详细模型能精准刻画系统各元件动态特性。以基于晶闸管的传统HVDC详细模型为例：

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% 创建一个简单的直流输电系统模型
model_name = 'HVDC_Detailed_Model';
new_system(model_name);

% 添加交流电源模块
ac_source = add_block('powerlib/AC Voltage Source', [model_name '/AC Source']);
set_param(ac_source, 'Amplitude', '100', 'Phase', '0', 'Frequency', '50');

% 添加换流变压器模块
transformer = add_block('powerlib/Three - Phase Transformer (Two - Windings)', [model_name '/Transformer']);
% 设置变压器参数，如变比等
set_param(transformer, 'Rated power (MVA)', '100', 'Rated voltage 1 (kV)', '110', 'Rated voltage 2 (kV)', '220');

在这个简单代码片段里，我们先创建了一个模型，接着添加交流电源模块，并设置其幅值、相位和频率等关键参数，这决定了交流侧输入特性。之后添加换流变压器，设置额定功率、额定电压等参数，它负责将交流电压变换到合适等级，为后续换流环节做准备。

详细模型中信号流向：交流电源发出的交流电经换流变压器升压后进入换流器。在换流器中，通过晶闸管的触发控制，将交流电转换为直流电。直流信号沿着直流输电线路传输，到达受端后，再经逆变换流器变回交流电。这里信号含义丰富，交流侧电压信号幅值、相位等体现电源特性，直流侧电压电流信号反映输电能力。其推导涉及到电路原理、电磁感应定律等，例如换流器中晶闸管触发角与输出直流电压关系推导，基于理想开关模型结合电路方程可得： $U*d = \\frac{3\\sqrt{2}}{\\pi}U* {2l}\\cos\\alpha$ ，其中 $U*d$ 为直流输出电压， $U*{2l}$ 为换流变压器二次侧线电压， $\\alpha$ 为触发角。

平均值模型

平均值模型相对简化，忽略部分高频动态，关注系统平均特性。

matlab 复制代码

% 创建平均值模型
model_name_avg = 'HVDC_Average_Model';
new_system(model_name_avg);

% 添加等效直流电源模块
dc_source_avg = add_block('simulink/Sources/DC Voltage Source', [model_name_avg '/DC Source']);
set_param(dc_source_avg, 'Voltage', '100');

% 添加等效电阻模块模拟线路电阻
line_resistance = add_block('simulink/Electrical Sources/Resistor', [model_name_avg '/Line Resistance']);
set_param(line_resistance, 'Value', '1');

这里我们创建平均值模型，添加等效直流电源和线路电阻。直流电源模块代表经过换流后的直流输出平均电压，线路电阻模拟直流线路损耗。信号流向简单直接，从直流电源出发经线路电阻传输到负载。信号含义主要是平均电压、电流值，其推导基于系统稳态功率平衡和欧姆定律，如 $P = U*dI* d$ ， $U*d = I* dR*{line}$ ， $P$ 为传输功率， $R*{line}$ 为线路电阻。

换相失败原理、分类、抑制及改进措施

原理

换相失败本质上是由于交流系统故障或其他原因，导致换流器中晶闸管无法在预定时刻关断或导通。例如在逆变侧，当交流母线电压降低或相位异常时，会使换相过程不能正常完成。从根本上讲，这打破了换相过程中电流、电压之间的正常时序关系。

分类

常见分类有两类，一类是由于交流系统故障导致的换相失败，比如交流线路短路，引起母线电压大幅下降，使得换相裕度角减小到临界值以下引发失败；另一类是由于触发脉冲异常，像脉冲丢失、延迟等，造成晶闸管导通顺序错误而换相失败。

抑制及改进措施

为抑制换相失败，可从多个角度着手。在控制策略上，采用先进的触发角控制算法，实时监测交流系统参数并调整触发角，保证换相裕度。代码层面可在触发角计算模块加入智能算法：

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% 假设获取交流母线电压幅值Uac和相位Phi
Uac = get_AC_bus_voltage();
Phi = get_AC_bus_phase();

% 根据电压幅值和相位调整触发角alpha
if Uac < threshold
    alpha = alpha + k*(threshold - Uac);
elseif Phi > max_allowed_phase
    alpha = alpha + k1*(Phi - max_allowed_phase);
end

这里根据交流母线电压幅值和相位，当电压低于阈值或相位超出允许范围时，通过系数 $k$ 和 $k1$ 调整触发角。另外，可增强交流系统强度，如增加无功补偿装置，提高交流母线电压稳定性，从而降低换相失败风险。

总之，深入理解高压直流输电模型及换相失败相关知识，对保障电力系统稳定运行至关重要，希望这些分享能为大家带来一些启发。