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当其桥臂中的子模块超过一定数量时, 换流器输出波形为近似正弦的阶梯波, 无需加装滤波装置。与两电平换流器相比, 模块化多电平突出优势表现在: ①模块化设计, 易于电压等级的提升和容量的升级; ②器件的开关频率和开关应力显著降低; ③输出电压谐波含量和总电压畸变率大大减少, 交流侧无需滤波装置。
相比于两电平换流器, 模块化多电平换流器的不足主要在于: ①由于每个桥臂中串联的子模块数量较多, 因此阀控系统在每个周期内所需处理的数据量非常大, 对控制系统要求很高; ②分布式储能电容增加子模块电容电压的均衡控制; ③各桥臂间能量分配不均, 将破坏子模块内部的稳定性, 导致电流波形发生畸变。
在目前投入工程应用的换流器技术中, 无论是两电平还是半桥型模块化多电平换流器, 均存在一个突出问题, 即无法在直流故障下实现交直流系统的隔离。但全桥式和钳位双子模块型模块化多电平换流器, 由于可以使桥臂等效输出电压为负, 在直流电压急剧降低时, 仍然可以支撑交流电压, 从而实现对交流侧短路电流的抑制作用。
3.柔性直流输电控制与保护
柔性直流控制保护系统是系统能够正常运行的核心, 用于实现系统正常运行的控制功能和故障下的保护功能。控制保护系统包括换流站级控制保护系统和换流阀级控制保护系统。
但与常规直流输电不同的是, 柔性直流输电中的阀级控制保护系统远为复杂。尤其是在模块化多电平柔性直流输电系统中, 换流站级控制器(简称极控或者站控)只承担一部分控制和保护功能, 对阀体的控制保护更多依赖阀级控制器完成。包括根据换流站级控制信号的要求产生换流阀子模块的控制信号, 进行数据处理和汇总, 以及实现换流阀的保护等功能(如图4所示)。因此, 柔性直流控制保护系统通常需要实现纳秒级的高速同步控制, 以满足柔性直流输电控制系统高实时性的要求。
图4 站控及阀控系统
柔性直流换流站级控制系统除实现系统的正常启动、停运操作外, 还包括稳态的功率控制和调节, 其功率控制器包括有功类功率控制器和无功类功率控制器, 有功类控制器包括有功功率控制和直流电压控制; 无功类控制器包括无功功率控制和交流电压控制。一般来说, 双端柔性直流系统的正常运行需要一站控制直流电压, 另一端控制有功功率, 而两站的无功调节相互独立, 可以自由选择控制无功还是交流电压。在控制策略上, 无论采用两电平还是模块化多电平换流器技术, 其交流侧具有类似的等效数学模型, 因此均可采用相同的站级控制策略。在众多的站级控制策略中, 直接电流矢量控制策略以较高的电流响应速度和精确的电流控制效果已成为电压源型换流器的主流控制技术。
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