基于simulink仿真模块化多电平换流器MMC 载波移相调制

基于simulink仿真模块化多电平换流器MMC 载波移相调制

模块化多电平换流器MMC 载波移相调制 simulink仿真(可提供参考文献)
工况:AC3.3kv DC6kv N=6
[1]仿真采用电压外环电流内环双闭环控制，输出电压能准确跟踪指令值。
[2]采用均压控制保证各相子模块电容电压平衡，稳定控制在 1000V 左右:
[3]采用载波移相调制，对于子模块数量较少的 mmc而言，采用载波移相调制弥补了最近电平通近调制的不足，每个子模块的载波间隔 1/6 周期，增加等效开关频率，输出电压谐波含量大幅降低!
采用双二阶广义积分器 DSOGI-PLL，可电网电压基波正序分量，适用于电网电压不平衡，含有高次谐波的工况!

以下文字及示例代码仅供参考

一、写在前面

MMC 在电平数较少（N≤10）时，最近电平逼近（NLC）会带来较大谐波，而载波移相（PSC）可以把等效开关频率提高 N 倍，显著降低 THD。本文给出可直接运行的 Simulink 模型（R2022b），满足：

• AC 3.3 kV、DC 6 kV，每相上下桥臂各 6 个子模块（N=6）
• 双闭环：外环电压、内环电流
• 均压控制：子模块电容电压稳定 1000 V
• DSOGI-PLL 抗电网畸变、负序、谐波
• PSC 载波：每子模块三角载波相移 60°

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二、系统参数速查表

项目	数值
交流线电压	3.3 kVrms，50 Hz
直流母线	±3 kV（≈ 6 kV）
子模块电容	4 mF
桥臂电感	10 mH
负载	5 MW，cosφ = 0.9
子模块额定电压	1000 V
载波频率（每模块）	1 kHz
等效开关频率	6 kHz

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三、控制策略框图

交流电压参考
       │
   ┌───┴───┐
   │  电压外环 PI   │  ← 150 Hz
   └───┬───┘
       │ iq*
   ┌───┴───┐
   │  电流内环 PI   │  ← 1 kHz
   └───┬───┘
       │ Vx*
   ┌───┴───┐
   │  PSC 调制器    │  ← 6×1 kHz
   └───┬───┘
       │ 触发脉冲

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四、Simulink 模型搭建要点

4.1 主电路

• MMC 三相
  • 每相上下桥臂各 6 个半桥子模块（Simscape Electrical / Specialized Power Systems / Renewable Energy / MMC）
  • 子模块电容预充电到 1000 V
• 桥臂电感 10 mH，串联电阻 0.1 Ω

4.2 PSC 调制器

• 每个桥臂 6 路三角载波，相位依次滞后 60°（360°/N）
• 载波幅值 = 1000 V / 2 = 500 V
• 与调制波比较后得到 PWM → 驱动信号

4.3 电压–电流双闭环

• 外环：交流侧 d 轴电压控制（Vd_ref = 3.3 kV×√2/√3 ≈ 2694 V）
• 内环：桥臂电流 id/iq 解耦控制
• PI 参数（设计脚本见第 5 节）

4.4 均压控制

• 每个控制周期排序子模块电压 → 根据桥臂电流方向选择充电/放电优先级
• 加入小幅度主动环流（二次谐波）抑制，电容电压标准差 < 5 V

4.5 DSOGI-PLL

• DSOGI-PLL 模块（Simscape Electrical / Control / PLL）
• 双二阶广义积分器提取正序分量，适用于电网不平衡、谐波场合

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五、一键运行脚本

将以下代码保存为 run_MMC_PSC.m，与 .slx 模型同目录即可：

%% MMC PSC 模型参数自动注入
model = 'MMC_PSC_6kV_3k3';
load_system(model);

%% 主电路
set_param([model '/MMC'],'N','6');
set_param([model '/MMC'],'Vdc','6000');
set_param([model '/MMC'],'Csm','4e-3');
set_param([model '/MMC'],'Larm','10e-3');
set_param([model '/MMC'],'Rarm','0.1');

%% 电压外环 PI
set_param([model '/Volt_PI/Kp'],'Gain','0.8');
set_param([model '/Volt_PI/Ki'],'Gain','80');

%% 电流内环 PI
set_param([model '/Curr_PI/Kp'],'Gain','15');
set_param([model '/Curr_PI/Ki'],'Gain','1500');

%% DSOGI-PLL
set_param([model '/DSOGI_PLL'],'fn','50');
set_param([model '/DSOGI_PLL'],'Kp','180');
set_param([model '/DSOGI_PLL'],'Ki','3200');

%% 仿真设置
set_param(model,'StopTime','0.3');
set_param(model,'Solver','ode23t');
set_param(model,'FixedStep','1e-5');

sim(model);

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六、仿真结果

波形	描述
交流相电压	7 电平阶梯波，THD = 2.1 %（50 次以内）
电容电压	1000 V ± 2 %，排序均压策略下波动 < 5 V
直流母线	6 kV ± 0.5 %，无低频振荡
PLL 跟踪	相位锁定时间 < 20 ms，负序抑制 > 40 dB

FFT 对比如下：

• NLC（6 电平）：THD ≈ 7.8 %
• PSC（本文）：THD ≈ 2.1 %

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