基于PSpice的MMC子模块模型的Matlab仿真研究

于 飞 朱 炯 李梅航

(青岛科技大学自动化与电子工程学院，山东 青岛 266042)

如今，IGBT作为电力电子器件已经广泛用于电力牵引、电能传输及风力发电等领域[1],而且基于IGBT的电压源换流器在高压直流输电中得到越来越多的应用。由于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)输出电压谐波含量少、无需额外的滤波器、容易实现能量双向流动及四象限运行等优点被应用于柔性直流输电系统(VSC-HVDC)[2]。目前，MMC子模块建模的研究还相对较少，研究MMC子模块建模对柔性直流输电研究有一定的意义。

PSpice软件具有详细、丰富的电力电子器件模型、集成控制器模型及可进行数模混合仿真等优点，但也具有非交互式仿真及用户不能对积分方法进行控制等缺点。与之相比，Simulink具有与PSpice互补的优缺点[3]，所以将PSpice与Matlab/Simulink协同仿真，可快速地对复杂电力系统建模，并采用电力电子器件详细模型和复杂控制算法，得到更加准确的仿真结果[4]。笔者采用PSpice软件建立IGBT的功率开关模型，并用此模型建立MMC子模块模型，利用PSpice软件验证模型的正确性，并利用PSpice与Matlab的接口软模块SLPS将MMC子模块模型导入到Simulink下，联合仿真验证结果的正确性。

1 IGBT功率开关建模与MMC子模块建模①

1.1 IGBT模型结构及参数提取

当IGBT作为功率开关器件时，IGBT仅在关断区域和饱和区域工作，当IGBT导通时，IGBT 的C、E两端电压为饱和压降Vsat，当母线电压变化时，电流随之变化，所以以电流源作为核心的marco模型不再适用[5]，且macro模型包含3个电容[6]，它并没有考虑与IGBT反并联的二极管，而MMC子模块中的IGBT均含有反并联二极管。综上，采用如图1所示的以两个电容、一个电压控制开关和一个反并联的二极管组成的IGBT模型。

图1 IGBT模型电路

电压控制开关包括4个参数：关断电阻ROFF、开通电阻RON、关断控制电压VOFF(VOFF为IGBT关断时E、G两端的电压)和开通控制电压VON(VON为IGBT导通时E、G两端的电压)，电阻的计算式为：

(1)

RON=RCE(ON)

(2)

IGBT等效为3个电容，反并联的二极管也等效一个电容。把IGBT的C、E两端的电容计算到二极管中，所以最终IGBT等效成两个电容，分别为CGE和CGC：

CGC=Crss

(3)

CGE=Eiss-Crss

(4)

式中Ciss——IGBT的输入电容值；

Crss——IGBT的反向电容值。

反并联二极管包含下列参数：反向饱和电流IS、过渡时间TT及零偏压电容CJO等，其计算式分别为：

ID=IS(eVD/VT-1)

(5)

(6)

CJO=Coss-Crss

(7)

式中Coss——IGBT的输出电容值；

IBV——等效为最大ICE；

ID——流过二极管电流、VT在25℃时为0.026V；

ID_AV——流过二极管的平均电流。

1.2 MMC子模块模型建立

MMC子模块由两个串联的IGBT并联一个大电容组成，如图2a所示。笔者为了简化仿真，忽略电容电压的均压问题，采用恒定电压源代替电容电压[7]，用上文建立的IGBT模型来代替原IGBT模型仿真MMC子模块的电压输出。图2b为PSpice的简化MMC子模块模型。

图2 MMC子模块模型

1.3 PSpice与Simulink联合仿真模型的建立

Simulink与PSpice的接口是通过第三方软件SLPS实现的。将在PSpice建立的MMC子模块电路图通过SLPS插入到Simulink建立的仿真系统中，在SLPS中设定模块的输入输出，其结构如图3所示。设定模块的两个IGBT驱动电压为输入，以MMC子模块的电压为输出。

图3 Pspice与MATLAB联合仿真结构框图

2 PSpice仿真

2.1 IGBT模型建立与仿真

根据上述参数的描述，以西门康的SKM100GB128D为例子，建立IGBT功率开关模型模型[8，9]。具体参数如下：

关断电阻ROFF1.2MΩ

开通电阻RON0.013Ω

关断控制电压VOFF-15V

开通控制电压VON15V

电容CGC7.10nF

电容CGE5.49nF

反向饱和电流IS2.94×10-32A

反向击穿电压VB1.2kV(等效为最大的VCE)

过渡时间TT0.17μs

零偏压电容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

设计如图4所示的Boost测试电路图，分别测试IGBT的开关功能和二极管功能。设定直流电压Vdc为254V，起始电压V1为-15V，脉冲电压V2为15V，IGBT的开关频率为16kHz，占空比为2/3，仿真时间为50ms，电压电流的相对精度为0.001，仿真温度为25℃，输出的电压如图5所示，平均值为380V，与计算结果一致。

图4 IGBT模型的Boost电路

图5 Boost电路输出电压波形

2.2 MMC子模块建立于仿真

设计如图6所示的MMC子模块电路图[10]，设定电压源电压为600V，IGBT开关频率16kHz，MMC子模块输出的电压波形和电流波形如图7所示。

图6 MMC子模块电路

a. 输出电压

b. 输出电流

3 PSpice与Simulink联合仿真

将上述建立的MMC的PSpice子模块通过第三方软件SLPS放入到Simulink下进行联合仿真，其结构如图8所示。Simulink通过SLPS将PSpice下的模型仿真结果输出给Simulink。在SLPS模块中设定V2、V3为输入，Vout为输出，使用SimPower Systems的PWM Generator生成一桥臂二路SPWM脉冲，进过幅值为15的增益后给两个IGBT发送开关控制信号，设定仿真时长为50ms，MMC子模块的输出电压波形如图9所示。

图8 SLPS结构示意图

图9 联合仿真MMC子模块输出电压波形

4 结束语

建立的IGBT PSpice模型与预想的基本一致，Boost电路验证了IGBT作为功率开关的正确性，并且验证了与IGBT反并联的二极管工作的正确性。PSpice的MMC子模块电路模型的输出

电压与电流波形与预想的基本一致，证明了MMC子模块的正确性。建立的PSpice与Simulink联合仿真模型，输出的波形与预想的一致，证明了在PSpice下建立的MMC子模块模型与Simulink联合仿真的准确性和可行性。使用PSpice与Simulink进行联合仿真可以结合两个软件的优势，使MMC的仿真更加准确可靠。