本发明涉及基于电压源型换流器(voltagesourceconverter,vsc)的高压直流输电(highvoltagedirectcurrent,hvdc)领域，包括两端直流输电技术、多端直流输电技术与直流电网技术等等，具体涉及一种柔性直流输电系统故障快速恢复控制方法及装置。
背景技术
世界上能源和环境污染问题已经引起了各个国家的关注，降低化石能源的消耗以及提高可再能源的使用效率是各个国家正在积极努力的方向。随着风电、水电和光伏等可再能源的大力开发，传统交流输电或常规直流输电难以满足电能的输送要求，然而使用vsc-hvdc将这些可再生能源产生的电能以灵活可控的方式外送，有利于提高可再生能源的使用效率。由于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,mmc)如附图2所示；输出电压畸变率低，器件开关频率低以及无器件均压等优势条件，成为当前柔性直流输电技术首先拓扑结构，也为构建高压大容量的柔性直流输电系统创造了有利条件。
受限于直流电缆电压等级的制约，架空线输电是当前mmc应用于高压柔性直流输电场合的优先选择方案。当直流输电系统或直流电网采用架空线作为输电线路时，由于架空线没有绝缘层包围，因此在实际工程中经常遭受雷击、闪络以及接地短路故障等等。当短路故障发生之后，直流输电系统中的换流站通过故障点及其交流侧接地装置之间形成电流通路，从而馈入直流故障电流，造成直流输电系统中换流站内部mmc桥臂电容电压快速放电，如附图3所示；导致故障极的电容电压在快速放电之后与非故障极的电容电压之差存在较大的区别。当故障结束之后，mmc每相上桥臂和下桥臂之间电容电压平均值不再相等，由于mmc桥臂等效电阻较小，上桥臂和下桥臂电容电压平均值之差中的直流分量需要经过较长的时间才能逐渐再平衡。在这一段时间内，mmc内部将存在基波环流，增大了电容电压的波动程度以及系统的损耗。
为了提高整个直流输电系统的运行效率和性能，有必要对故障发生后的柔性直流输电系统进行快速恢复控制，使得mmc桥臂电容电压达到平衡。
技术实现要素：
为了满足现有技术的需要，本发明提出一种柔性直流输电系统故障快速恢复控制方法及装置，解决了故障发生后的柔性直流输电系统难以快速恢复的难题。加快柔性直流输电系统故障发生后快速恢复到原始的运行状态，降低故障对整个系统运行特性的影响，提高系统的运行稳定性。
本发明的技术方案是：
一种柔性直流输电系统故障快速恢复控制方法，所述方法包括：
计算模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的平均值，通过过滤平均值中的基波分量获得模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量；
比较上、下桥臂电容电压的直流分量之差与死区环节预设阈值之间的大小，确定死区环节的输出；
当所述死区环节的输出为上、下桥臂电容电压的直流分量之差时，利用基于比例积分控制的比例控制器对其输出进行调节，获取补偿电压；
将所述补偿电压与模块化多电平换流器的桥臂参考电压叠加，以实现柔性直流输电系统故障快速恢复控制。
优选的，所述获得模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量包括：
通过下式确定模块化多电平换流器各相上桥臂电容电压的平均值ucpj_aver：
式中，j表示模块化多电换流器的第j相，j＝a、b、c；p为上桥臂物理量，i表示第i个子模块，i＝1,2，…,n，n为桥臂串联的子模块个数，upj_i为第j相上桥臂的第i个子模块电压；
通过下式确定模块化多电平换流器换流器各相下桥臂电容电压的平均值ucnj_aver：
式中，n为下桥臂的物理量，unj_i为第j相下桥臂的第i个子模块电压；
通过过滤上、下桥臂电容电压的平均值ucpj_aver和ucnj_aver中的基波分量获得模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量ucpj_aver'和ucnj_aver'。
优选的，通过下式确定所述各相上、下桥臂电容电压的直流分量之差：
ucpnj_err＝ucpj_aver'-ucnj_aver'(3)
式中，j表示模块化多电平换流器第j相，j＝a、b、c，分别代表模块化多电平换流器的三相；ucpj_aver'和ucnj_aver'分别为模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量。
优选的，所述比较各相上、下桥臂电容电压的直流分量之差与死区环节预设阈值之间的大小具体包括：
当模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量不一致且其差值大于死区环节的预设阈值时，死区环节输出模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量之差，否则输出零。
优选的，所述补偿电压
优选的，所述模块化多电平换流器的桥臂参考电压，用于调节模块化多电平换流器桥臂投入的子模块数量；
若故障极桥臂的输出电流值大于零，增加桥臂串联的子模块数目；若小于零，则减少桥臂串联的子模块数目；
若非故障极桥臂的输出电流值大于零，减少桥臂串联的子模块数目；若小于零，则增加桥臂串联的子模块数目。
进一步地，通过下式分别确定模块化多电平换流器第j相上桥臂参考电压
式中，udc为直流侧电压参考值，
一种柔性直流输电系统故障快速恢复控制装置，所述装置包括：
计算模块，用于计算模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的平均值，通过过滤所述平均值中的基波分量获得模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量；
比较模块，用于比较上、下桥臂电容电压的直流分量之差与死区环节预设阈值之间的大小，确定死区环节的输出；
获取模块，用于若死区环节的输出为上、下桥臂电容电压的直流分量之差，则利用基于比例积分控制的比例控制器对其输出进行调节，获取补偿电压；
控制模块，用于将补偿电压与模块化多电平换流器的桥臂参考电压叠加，以实现柔性直流输电系统故障快速恢复控制。
优选的，所述计算模块，包括
第一确定单元，用于通过下式确定模块化多电平换流器各相上桥臂电容电压的平均值：
式中，j表示模块化多电换流器的第j相，j＝a、b、c；p为上桥臂物理量，i表示第i个子模块，i＝1,2，…,n，n为桥臂串联的子模块个数；upj_i为第j相上桥臂的第i个子模块电压；
第二确定单元，用于通过下式确定mmc各相下桥臂电容电压的平均值：
式中，n为下桥臂的物理量；unj_i为第j相下桥臂的第i个子模块电压；
第三确定单元，用于通过过滤上、下桥臂电容电压的平均值ucpj_aver和ucnj_aver中的基波分量获得模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量ucpj_aver'和ucnj_aver'。
优选的，所述比较模块，包括差值获取单元和判定单元；其中，
所述差值获取单元，用于通过下式确定所述各相上、下桥臂电容电压的直流分量之差：
ucpnj_err＝ucpj_aver'-ucnj_aver'(7)；
所述判定单元，用于当模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量不一致且其差值大于死区环节的预设阈值时，死区环节输出模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量之差，否则输出零。
优选的，所述获取模块，包括补偿确定单元，用于根据模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量之差与比例系数k相乘获得补偿电压
优选的，所述控制模块包括：
调节单元，用于调节模块化多电平换流器桥臂投入的子模块数量；
上桥臂参考电压确定单元，用于通过下式确定模块化多电平换流器第j相上桥臂参考电压
下桥臂参考电压确定单元，用于通过下式确定模块化多电平换流器第j相下桥臂参考电压
进一步地，所述调节单元包括：第一调节子单元，用于若故障极桥臂的输出电流值大于零，增加桥臂串联的子模块数目；若小于零，则减少桥臂串联的子模块数目；
第二调节子单元，用于若非故障极桥臂的输出电流值大于零，减少桥臂串联的子模块数目；若小于零，则增加桥臂串联的子模块数目。
与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明涉及的一种柔性直流输电系统故障快速恢复控制方法，通过定义模块化多电平换流器桥臂串联的子模块数目，计算模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的平均值，通过过滤平均值中的基波分量获得模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量；比较上、下桥臂电容电压的直流分量之差与死区环节预设阈值之间的大小，确定死区环节的输出；快速恢复控制方法只在每相上桥臂和下桥臂电容电压直流分量之差超过预设值之后才起作用，稳态情况下并不改变原始控制系统的运行性能。
当所述死区环节的输出为上、下桥臂电容电压的直流分量之差时，利用基于比例积分控制的比例控制器对其输出进行调节，获取补偿电压；将补偿电压与模块化多电平换流器的桥臂参考电压叠加，以实现柔性直流输电系统故障快速恢复控制。能够在柔性直流输电系统发生故障后快速实现电容电压的再平衡，提高系统的恢复速度，降低mmc内桥臂电容电压不平衡引入的基波环流。
2、所提出的快速恢复控制方法及转装置简单易行，无需额外的外围硬件电路，只需求取mmc每相上桥臂和下桥臂电容电压的平均值，无过多的算法操作流程，具有易于实现的优点。
3、所提出的快速恢复控制方法具有通用性，不仅适用于直流电网正极母线接地短路故障也适用于负极母线接地短路故障以及其它故障引起mmc桥臂电容电压不均衡的情况。
附图说明
图1：本发明实施例提供的直流输电系统故障快速恢复控制方法流程图；
图2：本发明实施例提供的含交流侧接地装置的mmc结构示意图；
图3：本发明实施例提供的直流输电系统正极母线接地短路故障电流路径示意图；
图4：本发明实施例提供的直流输电系统故障快速恢复控制方法实现框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本专利提出一种柔性直流输电系统故障快速恢复控制方法，如图1所示，包括：
s1、计算模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的平均值，通过过滤平均值中的基波分量获得模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量；
提取电容电压平均值中的直流分量有很多种方法，比如低通滤波器和陷波器等，本发明专利对此不做限定，均指定为获取直流分量的方法。
mmc由6个桥臂组成，分为a、b、c三相，每相由上桥臂和下桥臂构成。在直流输电系统快速故障恢复控制方法中需要以每相上桥臂和下桥臂电容电压平均值作为快速恢复控制方法的输入，因此需要求取每相上桥臂和下桥臂电容电压的平均值。mmc在故障恢复过程中，由于每个桥臂子模块电容在基波电流的作用下，导致电容电压基波分量相位相差180°，因此需要滤除该基波分量，只保留直流分量，从而需要提取上桥臂和下桥臂电容电压中的直流分量之差，作为死区环节的输入。
假设每个桥臂串联的子模块个数为n，获得模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量包括：
通过下式确定模块化多电平换流器各相上桥臂电容电压的平均值ucpj_aver：
式中，j表示模块化多电换流器的第j相，j＝a、b、c；p为上桥臂物理量，i表示第i个子模块，i＝1,2，…,n，n为桥臂串联的子模块个数，upj_i为第j相上桥臂的第i个子模块电压；
通过下式确定模块化多电平换流器换流器各相下桥臂电容电压的平均值ucnj_aver：
式中，n为下桥臂的物理量，unj_i为第j相下桥臂的第i个子模块电压；
通过过滤上、下桥臂电容电压的平均值ucpj_aver和ucnj_aver中的基波分量获得模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量ucpj_aver'和ucnj_aver'。
s2、比较上、下桥臂电容电压的直流分量之差与死区环节预设阈值之间的大小，确定死区环节的输出；
通过下式确定所述各相上、下桥臂电容电压的直流分量之差：
ucpnj_err＝ucpj_aver'-ucnj_aver'(3)
式中，j表示模块化多电平换流器第j相，j＝a、b、c，分别代表模块化多电平换流器的三相；ucpj_aver'和ucnj_aver'分别为模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量。
比较各相上、下桥臂电容电压的直流分量之差与死区环节预设阈值之间的大小具体包括：当模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量不一致且其差值大于死区环节的预设阈值时，死区环节输出模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量之差，否则输出零。
s3、当死区环节的输出为上、下桥臂电容电压的直流分量之差时，利用基于比例积分控制的比例控制器对其输出进行调节，获取补偿电压；
死区环节作为是否使能故障快速恢复控制方法的判定。mmc正常运行时每相上桥臂和下桥臂电容电压平均值中的直流分量不可能完全相等，因此存在一定的微小的差别。为了保证故障快速恢复控制器在正常运行情况下不至于反复的调节，从而需要设置死区环节。当mmc每相上桥臂和下桥臂电容电压平均值中的直流分量之差超过死区环节所设置的阈值时，死区环节输出上桥臂和下桥臂电容电压平均值中的直流分量之差，否则输出零，即不启动快速恢复控制方法。因此，死区环节的设定能够保证故障快速恢复控制方法只有在故障发生之后才有可能使能，在正常运行情况下不起作用。
比例环节作为故障快速恢复方法产生补偿电压的控制器。mmc每相上桥臂和下桥臂电容电压平均值中的直流分量之差即使在故障发生后也不可能相差太大，为了实现电容电压的快速恢复，需要放大该差值，提高快速恢复控制方法的响应速度，且在稳态情况下不起作用，则比例控制器是最佳方法。补偿电压
同时为了防止mmc交流侧每相电压出现较大的直流分量，需要对比例控制器输出的补偿电压进行限幅，具体的限幅大小需要根据实际工程电压等级确定。
s4、将补偿电压与模块化多电平换流器的桥臂参考电压叠加，以实现柔性直流输电系统故障快速恢复控制。
模块化多电平换流器的桥臂参考电压，用于调节模块化多电平换流器桥臂投入的子模块数量；
若故障极桥臂的输出电流值大于零，增加桥臂串联的子模块数目；若小于零，则减少桥臂串联的子模块数目；
若非故障极桥臂的输出电流值大于零，减少桥臂串联的子模块数目；若小于零，则增加桥臂串联的子模块数目。
故障发生后的柔性直流输电系统，为了实现电容电压的快速恢复，其本质则是为了改变mmc桥臂吸收或者释放的能量。而对于故障极来说，故障极桥臂的电容电压较低，为了实现快速恢复，当桥臂电流为故障极投入的子模块充电时，需要增大故障极桥臂投入的子模块；反之，当桥臂电流为故障极投入的子模块放电时，则需要减少故障极子模块的投入数目。对于非故障极来说，非故障极桥臂的电容电压较高，当桥臂电流为非故障极投入的子模块充电时，需要降低该桥臂吸收的能量，从而降低投入子模块的个数；反之，当桥臂电流为非故障极投入的子模块放电时，需要增大该桥臂释放的能量，从而增大投入子模块的个数。控制mmc桥臂参考电压的大小既可以实现对子模块个数的增大或者减少，因此快速恢复控制器比例环节产生的补偿电压需要以叠加至桥臂参考电压中的方式呈现。
柔性直流输电系统故障快速恢复控制方法的实现最终需要落实在改变mmc桥臂输出电压参考值上面，即改变mmc每个桥臂吸收或者释放的能量。故障极在桥臂电流大于零的时候需要投入更多的子模块来增大该桥臂吸收的能量，在桥臂电流小于零(以附图2中桥臂电流参考方向为正方向)时需要降低子模块的投入数量降低该桥臂释放的能量。
非故障极在桥臂电流大于零时需要降低子模块投入的数量来降低桥臂吸收的能量；反之，在桥臂电流小于零时需要增大子模投入的数量来增大桥臂释放的能量。mmc每相上桥臂和下桥臂均对投入的子模块数量进行修正，有利于快速实现故障恢复，即实现子模块电容电压的再平衡。
综上所述，可以得到考虑故障快速恢复控制方法在内时，因此，通过下式分别确定模块化多电平换流器第j相上桥臂参考电压
式中，udc为直流侧电压参考值，
基于上述发明构思，本实施例还提供一种柔性直流输电系统故障快速恢复控制装置，如图4所示，包括：
计算模块，用于计算模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的平均值，通过过滤所述平均值中的基波分量获得模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量；
比较模块，用于比较上、下桥臂电容电压的直流分量之差与死区环节预设阈值之间的大小，确定死区环节的输出；
获取模块，用于若死区环节的输出为上、下桥臂电容电压的直流分量之差，则利用基于比例积分控制的比例控制器对其输出进行调节，获取补偿电压；
控制模块，用于将补偿电压与模块化多电平换流器的桥臂参考电压叠加，以实现柔性直流输电系统故障快速恢复控制。
其中，计算模块，包括第一确定单元，用于通过下式确定模块化多电平换流器各相上桥臂电容电压的平均值：
式中，j表示模块化多电换流器的第j相，j＝a、b、c；p为上桥臂物理量，i表示第i个子模块，i＝1,2，…,n，n为桥臂串联的子模块个数；upj_i为第j相上桥臂的第i个子模块电压；
第二确定单元，用于通过下式确定mmc各相下桥臂电容电压的平均值：
式中，n为下桥臂的物理量；unj_i为第j相下桥臂的第i个子模块电压；
第三确定单元，用于通过过滤上、下桥臂电容电压的平均值ucpj_aver和ucnj_aver中的基波分量获得模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量ucpj_aver'和ucnj_aver'。
比较模块，包括差值获取单元和判定单元；其中，
差值获取单元，用于通过下式确定所述各相上、下桥臂电容电压的直流分量之差：
ucpnj_err＝ucpj_aver'-ucnj_aver'(7)；
判定单元，用于当模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量不一致且其差值大于死区环节的预设阈值时，死区环节输出模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量之差，否则输出零。
获取模块，包括补偿确定单元，用于根据模块化多电平换流器各相上、下桥臂电容电压的直流分量之差与比例系数k相乘获得补偿电压
控制模块包括：
调节单元，用于调节模块化多电平换流器桥臂投入的子模块数量；
上桥臂参考电压确定单元，用于通过下式确定模块化多电平换流器第j相上桥臂参考电压
下桥臂参考电压确定单元，用于通过下式确定模块化多电平换流器第j相下桥臂参考电压
其中，调节单元包括：第一调节子单元，用于若故障极桥臂的输出电流值大于零，增加桥臂串联的子模块数目；若小于零，则减少桥臂串联的子模块数目；
第二调节子单元，用于若非故障极桥臂的输出电流值大于零，减少桥臂串联的子模块数目；若小于零，则增加桥臂串联的子模块数目。本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。