基于PSpice的MMC子模塊模型的Matlab仿真研究

于 飛 朱 炯 李梅航

(青島科技大學自動化與電子工程學院，山東 青島 266042)

如今，IGBT作為電力電子器件已經廣泛用于電力牽引、電能傳輸及風力發電等領域[1],而且基于IGBT的電壓源換流器在高壓直流輸電中得到越來越多的應用。由于模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)輸出電壓諧波含量少、無需額外的濾波器、容易實現能量雙向流動及四象限運行等優點被應用于柔性直流輸電系統(VSC-HVDC)[2]。目前，MMC子模塊建模的研究還相對較少，研究MMC子模塊建模對柔性直流輸電研究有一定的意義。

PSpice軟件具有詳細、豐富的電力電子器件模型、集成控制器模型及可進行數模混合仿真等優點，但也具有非交互式仿真及用戶不能對積分方法進行控制等缺點。與之相比，Simulink具有與PSpice互補的優缺點[3]，所以將PSpice與Matlab/Simulink協同仿真，可快速地對復雜電力系統建模，并采用電力電子器件詳細模型和復雜控制算法，得到更加準確的仿真結果[4]。筆者采用PSpice軟件建立IGBT的功率開關模型，并用此模型建立MMC子模塊模型，利用PSpice軟件驗證模型的正確性，并利用PSpice與Matlab的接口軟模塊SLPS將MMC子模塊模型導入到Simulink下，聯合仿真驗證結果的正確性。

1 IGBT功率開關建模與MMC子模塊建模①

1.1 IGBT模型結構及參數提取

當IGBT作為功率開關器件時，IGBT僅在關斷區域和飽和區域工作，當IGBT導通時，IGBT 的C、E兩端電壓為飽和壓降Vsat，當母線電壓變化時，電流隨之變化，所以以電流源作為核心的marco模型不再適用[5]，且macro模型包含3個電容[6]，它并沒有考慮與IGBT反并聯的二極管，而MMC子模塊中的IGBT均含有反并聯二極管。綜上，采用如圖1所示的以兩個電容、一個電壓控制開關和一個反并聯的二極管組成的IGBT模型。

圖1 IGBT模型電路

電壓控制開關包括4個參數：關斷電阻ROFF、開通電阻RON、關斷控制電壓VOFF(VOFF為IGBT關斷時E、G兩端的電壓)和開通控制電壓VON(VON為IGBT導通時E、G兩端的電壓)，電阻的計算式為：

(1)

RON=RCE(ON)

(2)

IGBT等效為3個電容，反并聯的二極管也等效一個電容。把IGBT的C、E兩端的電容計算到二極管中，所以最終IGBT等效成兩個電容，分別為CGE和CGC：

CGC=Crss

(3)

CGE=Eiss-Crss

(4)

式中Ciss——IGBT的輸入電容值；

Crss——IGBT的反向電容值。

反并聯二極管包含下列參數：反向飽和電流IS、過渡時間TT及零偏壓電容CJO等，其計算式分別為：

ID=IS(eVD/VT-1)

(5)

(6)

CJO=Coss-Crss

(7)

式中Coss——IGBT的輸出電容值；

IBV——等效為最大ICE；

ID——流過二極管電流、VT在25℃時為0.026V；

ID_AV——流過二極管的平均電流。

1.2 MMC子模塊模型建立

MMC子模塊由兩個串聯的IGBT并聯一個大電容組成，如圖2a所示。筆者為了簡化仿真，忽略電容電壓的均壓問題，采用恒定電壓源代替電容電壓[7]，用上文建立的IGBT模型來代替原IGBT模型仿真MMC子模塊的電壓輸出。圖2b為PSpice的簡化MMC子模塊模型。

圖2 MMC子模塊模型

1.3 PSpice與Simulink聯合仿真模型的建立

Simulink與PSpice的接口是通過第三方軟件SLPS實現的。將在PSpice建立的MMC子模塊電路圖通過SLPS插入到Simulink建立的仿真系統中，在SLPS中設定模塊的輸入輸出，其結構如圖3所示。設定模塊的兩個IGBT驅動電壓為輸入，以MMC子模塊的電壓為輸出。

圖3 Pspice與MATLAB聯合仿真結構框圖

2 PSpice仿真

2.1 IGBT模型建立與仿真

根據上述參數的描述，以西門康的SKM100GB128D為例子，建立IGBT功率開關模型模型[8，9]。具體參數如下：

關斷電阻ROFF1.2MΩ

開通電阻RON0.013Ω

關斷控制電壓VOFF-15V

開通控制電壓VON15V

電容CGC7.10nF

電容CGE5.49nF

反向飽和電流IS2.94×10-32A

反向擊穿電壓VB1.2kV(等效為最大的VCE)

過渡時間TT0.17μs

零偏壓電容CJO0.03nF

在PSpice中建立SKM100GB128D的模型：

.SUBCKT SKM100GB128D 1 2 3

CGE 1 2 5.49E-09

CGC 1 3 7.1E-09

D5 2 3 D1

.MODEL D1 D

+IS=2.9363E-32

+VB=1.2000E3

+CJO=3E-11

+TT=1.7E-7

.model S1 VSWITCH Roff=1200000 Ron=0.013 Voff=-15.0 Von=15.0

.ENDS SKM100GB128D

設計如圖4所示的Boost測試電路圖，分別測試IGBT的開關功能和二極管功能。設定直流電壓Vdc為254V，起始電壓V1為-15V，脈沖電壓V2為15V，IGBT的開關頻率為16kHz，占空比為2/3，仿真時間為50ms，電壓電流的相對精度為0.001，仿真溫度為25℃，輸出的電壓如圖5所示，平均值為380V，與計算結果一致。

圖4 IGBT模型的Boost電路

圖5 Boost電路輸出電壓波形

2.2 MMC子模塊建立于仿真

設計如圖6所示的MMC子模塊電路圖[10]，設定電壓源電壓為600V，IGBT開關頻率16kHz，MMC子模塊輸出的電壓波形和電流波形如圖7所示。

圖6 MMC子模塊電路

a. 輸出電壓

b. 輸出電流

3 PSpice與Simulink聯合仿真

將上述建立的MMC的PSpice子模塊通過第三方軟件SLPS放入到Simulink下進行聯合仿真，其結構如圖8所示。Simulink通過SLPS將PSpice下的模型仿真結果輸出給Simulink。在SLPS模塊中設定V2、V3為輸入，Vout為輸出，使用SimPower Systems的PWM Generator生成一橋臂二路SPWM脈沖，進過幅值為15的增益后給兩個IGBT發送開關控制信號，設定仿真時長為50ms，MMC子模塊的輸出電壓波形如圖9所示。

圖8 SLPS結構示意圖

圖9 聯合仿真MMC子模塊輸出電壓波形

4 結束語

建立的IGBT PSpice模型與預想的基本一致，Boost電路驗證了IGBT作為功率開關的正確性，并且驗證了與IGBT反并聯的二極管工作的正確性。PSpice的MMC子模塊電路模型的輸出

電壓與電流波形與預想的基本一致，證明了MMC子模塊的正確性。建立的PSpice與Simulink聯合仿真模型，輸出的波形與預想的一致，證明了在PSpice下建立的MMC子模塊模型與Simulink聯合仿真的準確性和可行性。使用PSpice與Simulink進行聯合仿真可以結合兩個軟件的優勢，使MMC的仿真更加準確可靠。