手把手教你学Simulink--基于新型电力电子器件与拓扑结构的场景实例：模块化多电平换流器(MMC)在并网逆变器中的应用

模块	组件
MMC主电路	三相，每相上下各N个子模块（SM）
子模块类型	半桥型（Half-Bridge SM）
控制策略	载波移相（PSC-PWM）或最近电平逼近（NLM）
环流抑制	PI控制器抑制相间环流
电容电压均衡	排序算法（Sorting Algorithm）
锁相环（PLL）	同步电网
监控系统	电压、电流、电容电压、THD

✅ 仿真目标：

实现 11电平 输出（N=5）
并网电流 THD < 3%
电容电压均衡控制
环流有效抑制
验证模块化可扩展性

三、建模过程详解

第一步：创建MMC主电路

matlab

深色版本

% 创建模型
modelName = 'MMC_Grid_Inverter';
new_system(modelName);
open_system(modelName);

1. 三相结构

每相由上臂（Upper Arm）和下臂（Lower Arm）组成
每臂包含 N = 5 个子模块（可扩展）

第二步：设计子模块（Submodule, SM）

1. 半桥型子模块（最常用）

2个IGBT + 2个反并联二极管
1个直流电容（C = 10mF, Vc = 400V）
工作模式：
- 投入（Insert）：输出电容电压
- 切除（Bypass）：输出0V

2. Simulink实现

使用 Subsystem 封装一个SM
输入：gate_signal（0或1）
输出：v_sm, i_sm
内部：Universal Bridge + Series RLC Branch（电容）

第三步：构建三相MMC

1. 复制子模块

使用 For Each Subsystem 或手动复制
每相上/下臂各5个SM，串联

2. 添加公共元件

Three-Phase Source（电网，10kV/50Hz）
Arm Inductors（环流抑制电感，L_0 = 5mH）
DC Voltage Source（总直流电压 = 2NVc = 4000V）
Current/Voltage Sensors
Scope（监测三相输出电压、电流）

第四步：控制策略设计

1. 调制策略：最近电平逼近（Nearest Level Modulation, NLM）

计算所需电平数：
nref=vrefVcnref=Vcvref
取最接近的整数，投入对应数量的SM

2. MATLAB Function 实现NLM

matlab

深色版本

% nl_modulation.m
function sm_states = nl_modulation(v_ref, v_dc_sm)
    N = 5;  % 子模块数
    v_level = v_ref / v_dc_sm;  % 参考电平
    n_insert = round(v_level);  % 最近电平
    
    % 限制在0~N
    n_insert = max(0, min(n_insert, N));
    
    % 生成投入信号（排序后前n_insert个投入）
    sm_states = zeros(1, N);
    [sorted_vals, idx] = sort(v_dc_sm, 'ascend');
    sm_states(idx(1:n_insert)) = 1;
end

3. 环流抑制控制

环流 = 相电流的直流分量 + 二倍频分量
使用PI控制器生成补偿电压，叠加到调制波

4. 电容电压均衡

排序算法：
1. 测量各SM电容电压
2. 按电压值升序/降序排列
3. 投入时选择电压最低的SM，切除时选择电压最高的SM

第五步：系统级控制

1. 锁相环（PLL）

使用 Three-Phase PLL 模块同步电网相位

2. 功率外环

PI Controller 调节有功/无功功率
输出电流参考值 id∗,iq∗id∗,iq∗

3. 电流内环

双PI控制器，生成调制波 vrefvref

第六步：仿真配置与测试

1. 仿真设置

求解器：ode23tb
最大步长：1e-6 s
仿真时间：0.2秒

2. 测试工况

启动过程
有功功率阶跃（2MW → 3MW）
无功功率调节

第七步：结果分析

1. 输出波形

相电压：11电平阶梯波，接近正弦
线电压：更平滑
并网电流：正弦度高，THD ≈ 2.1%

2. 电容电压

各SM电容电压维持在 400V ± 5V
均衡控制有效

3. 环流

相间环流被有效抑制（< 5% 额定电流）

4. 效率

因低开关频率（子模块轮流投入，等效开关频率低），总损耗小
效率 > 98%

✅ MMC成功运行：实现高质量并网，验证了其在高压大功率场景的优越性。

四、总结

本文通过 Simulink + Simscape Electrical，成功实现了模块化多电平换流器（MMC）并网逆变器的建模与仿真，完成了：

MMC主电路的模块化构建
半桥子模块的精确建模
NLM调制策略的实现
环流抑制与电容电压均衡控制
多电平高质量输出的验证

核心收获：

掌握了MMC的基本拓扑与工作原理；
学会了子模块级控制（投入/切除）；
理解了电容电压均衡与环流抑制的重要性；
验证了高电平数、低THD、高效率的性能优势。

拓展应用：

全桥子模块（FB-SM）：支持故障穿越（直流故障清除）
混合MMC：结合SiC/GaN提升效率
海上风电并网：长距离HVDC传输
STATCOM：无功补偿
电池储能系统（BESS）集成

优化方向：

使用 Stateflow 实现复杂状态机控制
引入 模型预测控制（MPC）提升动态性能
进行 实时HIL仿真（dSPACE/OPAL-RT）
考虑 热-电耦合 与 可靠性分析
设计 故障诊断与冗余切换 策略

🏗️ MMC是高压电力电子的“乐高积木”，它用“模块化”解决了“高压大功率”的难题。每个子模块如同一个“智能砖块”，协同工作，构建出稳定、高效、可扩展的能源桥梁。在“双碳”目标与能源转型的浪潮中，MMC正成为连接新能源与电网的“超级纽带”，为构建坚强智能电网提供核心支撑。

📌 附录：所需工具