于 飛 朱 炯 李梅航

(青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東 青島 266042)

如今，IGBT作為電力電子器件已經(jīng)廣泛用于電力牽引、電能傳輸及風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)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(yīng)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(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)及四象限運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于柔性直流輸電系統(tǒng)(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(xì)、豐富的電力電子器件模型、集成控制器模型及可進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡娴葍?yōu)點(diǎn)，但也具有非交互式仿真及用戶不能對積分方法進(jìn)行控制等缺點(diǎn)。與之相比，Simulink具有與PSpice互補(bǔ)的優(yōu)缺點(diǎn)[3]，所以將PSpice與Matlab/Simulink協(xié)同仿真，可快速地對復(fù)雜電力系統(tǒng)建模，并采用電力電子器件詳細(xì)模型和復(fù)雜控制算法，得到更加準(zhǔn)確的仿真結(jié)果[4]。筆者采用PSpice軟件建立IGBT的功率開關(guān)模型，并用此模型建立MMC子模塊模型，利用PSpice軟件驗(yàn)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(dǎo)入到Simulink下，聯(lián)合仿真驗(yàn)證結(jié)果的正確性。

1 IGBT功率開關(guān)建模與MMC子模塊建模①

1.1 IGBT模型結(jié)構(gòu)及參數(shù)提取

當(dāng)IGBT作為功率開關(guān)器件時(shí)，IGBT僅在關(guān)斷區(qū)域和飽和區(qū)域工作，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，IGBT 的C、E兩端電壓為飽和壓降Vsat，當(dāng)母線電壓變化時(shí)，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(gè)電容[6]，它并沒有考慮與IGBT反并聯(lián)的二極管，而MMC子模塊中的IGBT均含有反并聯(lián)二極管。綜上，采用如圖1所示的以兩個(gè)電容、一個(gè)電壓控制開關(guān)和一個(gè)反并聯(lián)的二極管組成的IGBT模型。

圖1 IGBT模型電路

電壓控制開關(guān)包括4個(gè)參數(shù)：關(guān)斷電阻ROFF、開通電阻RON、關(guān)斷控制電壓VOFF(VOFF為IGBT關(guān)斷時(shí)E、G兩端的電壓)和開通控制電壓VON(VON為IGBT導(dǎo)通時(shí)E、G兩端的電壓)，電阻的計(jì)算式為：

(1)

RON=RCE(ON)

(2)

IGBT等效為3個(gè)電容，反并聯(lián)的二極管也等效一個(gè)電容。把IGBT的C、E兩端的電容計(jì)算到二極管中，所以最終IGBT等效成兩個(gè)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(lián)二極管包含下列參數(shù)：反向飽和電流IS、過渡時(shí)間TT及零偏壓電容CJO等，其計(jì)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(shí)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(gè)串聯(lián)的IGBT并聯(lián)一個(gè)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(lián)合仿真模型的建立

Simulink與PSpice的接口是通過第三方軟件SLPS實(shí)現(xiàn)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(tǒng)中，在SLPS中設(shè)定模塊的輸入輸出，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。設(shè)定模塊的兩個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)電壓為輸入，以MMC子模塊的電壓為輸出。

圖3 Pspice與MATLAB聯(lián)合仿真結(jié)構(gòu)框圖

2 PSpice仿真

2.1 IGBT模型建立與仿真

根據(jù)上述參數(shù)的描述，以西門康的SKM100GB128D為例子，建立IGBT功率開關(guān)模型模型[8，9]。具體參數(shù)如下：

關(guān)斷電阻ROFF1.2MΩ

開通電阻RON0.013Ω

關(guān)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(shí)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(shè)計(jì)如圖4所示的Boost測試電路圖，分別測試IGBT的開關(guān)功能和二極管功能。設(shè)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(guān)頻率為16kHz，占空比為2/3，仿真時(shí)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(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)如圖6所示的MMC子模塊電路圖[10]，設(shè)定電壓源電壓為600V，IGBT開關(guān)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(lián)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(jìn)行聯(lián)合仿真，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。Simulink通過SLPS將PSpice下的模型仿真結(jié)果輸出給Simulink。在SLPS模塊中設(shè)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(jìn)過幅值為15的增益后給兩個(gè)IGBT發(fā)送開關(guān)控制信號，設(shè)定仿真時(shí)長為50ms，MMC子模塊的輸出電壓波形如圖9所示。

圖8 SLPS結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 聯(lián)合仿真MMC子模塊輸出電壓波形

4 結(jié)束語

建立的IGBT PSpice模型與預(yù)想的基本一致，Boost電路驗(yàn)證了IGBT作為功率開關(guān)的正確性，并且驗(yàn)證了與IGBT反并聯(lián)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(yù)想的基本一致，證明了MMC子模塊的正確性。建立的PSpice與Simulink聯(lián)合仿真模型，輸出的波形與預(yù)想的一致，證明了在PSpice下建立的MMC子模塊模型與Simulink聯(lián)合仿真的準(zhǔn)確性和可行性。使用PSpice與Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真可以結(jié)合兩個(gè)軟件的優(yōu)勢，使MMC的仿真更加準(zhǔn)確可靠。