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全桥模块化多电平变换器（FB-MMC）利用负电压状态降低储能需求的研究
一、作者及发表信息
本研究由Qiang Song（IEEE会员）、Wenbo Yang、Biao Zhao（IEEE会员）、Shukai Xu（IEEE高级会员）、Hong Rao（IEEE高级会员）和Zhe Zhu合作完成，主要作者来自清华大学电机工程系和中国南方电网电力科学研究院。研究成果发表于IEEE Transactions on Power Electronics（2019年6月，第34卷第6期）。
二、学术背景
研究领域：高压直流输电（HVDC）系统中的电压源型换流器（VSC）技术，具体聚焦于模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）的拓扑优化。
研究动机：传统MMC的子模块（Submodule, SM）电容因需抑制低频电压纹波而体积庞大，占SM总成本的50%以上。全桥子模块（Full-Bridge SM, FBSM）虽能通过负电压状态（Negative-Voltage States）扩展输出电压范围，但其对储能需求的影响尚未系统分析。
研究目标：量化负电压状态对FB-MMC电容电压纹波及储能需求的降低效果，提出优化设计方法。
三、研究流程与方法
1. 理论建模与分析
- 研究对象：FB-MMC的电容电压纹波特性，重点分析负电压状态因子（Negative-Voltage State Factor, NVSF）与功率因数角（ϕ）的关系。
- 关键方程：
- 推导了电容电压纹波的解析表达式（式17-23），包含基频（fundamental-frequency）和二阶谐波（second-order harmonic）分量。
- 定义峰值纹波因子（PRF）（式26）和能量存储降低因子（ESRF）（式36），用于量化储能需求的最小化潜力。
- 创新方法：首次提出考虑二阶谐波分量的综合纹波评估模型，弥补了传统仅分析基频分量的不足。
2. 仿真验证
- 仿真平台：Simulink搭建的320 kV/500 MVA FB-MMC模型。
- 参数设置：子模块电容固定为8.0 mF，对比不同NVSF（0至1）和功率因数角（ϕ=0°~90°）下的电压纹波。
- 结果验证：仿真数据与理论计算高度吻合（图9），证实二阶谐波对纹波的影响不可忽略（如ϕ=0°时，纹波仅能降至0.25，而非理论零值）。
3. 实验验证
- 实验平台：3-4个FBSM组成的FB-MMC原型，连接可编程直流电源和电网模拟器。
- 测试条件：固定电容电压，对比FB-MMC-C（无负电压状态）与FB-MMC-N（启用负电压状态）的纹波。
- 关键发现：ϕ=0°时，FB-MMC-N的纹波降低幅度最大（表IV），与仿真结果一致。
四、主要结果
纹波降低效果与功率因数强相关：
- 单位功率因数（ϕ=0°）时，NVSF存在最优值（kextreme），可使基频纹波趋近于零（式24）。
- 无功功率主导（ϕ≈±90°）时，纹波随NVSF单调递减但降幅有限（图4）。
二阶谐波不可忽略：
- 高调制指数（m）会增大二阶谐波（图3c），导致实际纹波高于仅考虑基频的预测值（图10）。
储能需求最小化：
- 定义ESRF（式36）后，发现功率因数范围越窄（如±30°），储能需求降幅越大（图5a）。
- 宽范围运行时（ϕ=±90°），储能需求最多可降至53%（表II）。
成本与体积权衡：
- FB-MMC-N：空间需求优于传统FB-MMC-C（图6b），但成本因额外FBSM而增加（图6a）。
- 混合MMC方案：在ϕ≈±30°时，体积可减少30%，成本接近半桥MMC（图7）。
五、结论与价值
科学价值：
- 建立了负电压状态对FB-MMC纹波及储能影响的完整理论框架，揭示了功率因数与二阶谐波的关键作用。
- 提出的ESRF为MMC设计提供了量化工具，尤其适用于需兼顾有功/无功输出的HVDC场景。
应用价值：
- 为高功率密度MMC设计提供优化路径，例如在海上风电等空间受限场景中，可通过限制功率因数范围显著减小电容体积。
重要观点：
- 传统仅优化基频纹波的方法过于理想化，实际设计需综合二阶谐波影响（图4 vs. 图10）。
六、研究亮点
- 创新性方法：首次联合分析负电压状态、功率因数及二阶谐波对纹波的综合影响。
- 工程指导意义：通过ESRF曲线（图5a）明确不同应用场景下的最优NVSF选择策略。
- 多维度验证：理论、仿真与实验三重验证，增强结论可靠性（表IV）。
七、其他有价值内容
- 调制指数影响：高m值可减少所需FBSM数量（式24），但会增大二阶谐波（图3c），需权衡设计。
- 混合MMC潜力：在特定功率因数范围内，混合拓扑（HBSM+FBSM）可平衡成本与性能（图7）。
（全文完）