CN104167728A - 微电网与大电网间的传输功角的补偿装置及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微电网与大电网间的传输功角的补偿装置及补偿方法，补偿装置包括：降压变压器、二极管整流模块、IGBT模块、功角补偿变压器及中央处理模块，降压变压器与微电网侧连接，对微电网侧的电压进行降压处理；二极管整流模块对降压变压器降压后的电信号进行整流处理；IGBT模块根据中央处理模块输出的PWM控制信号，将二极管整流模块整流后的直流电信号转换为交流信号，并输出到功角补偿变压器；功角补偿变压器，对IGBT模块产生的交流电压信号进行升压处理，并叠加到输电线路的电信号上。本发明利用了IGBT模块的快速响应特性，迅速调节输电线路上的有功功率和功角偏移的变化，使有功功率和功角偏移处于合理的范围内。

Description

微电网与大电网间的传输功角的补偿装置及补偿方法

技术领域

本发明涉及一种传输功角的补偿装置及补偿方法，尤其涉及一种微电网与大电网间的传输功角的补偿装置及补偿方法。

背景技术

在以新能源组成的微电网与大电网经输电线路传输有功功率的过程中，若输电线路中出现小扰动，则会呈现静态稳定问题，这样在有功功率传输的功角运行特性曲线上，为解决静态稳定问题需要对线路中功角补偿装置的相应开关进行迅速、精确的操作，以使有功功率传输的功角运行特性曲线运行在初始静态工作点上，这样就需要建立相应的静态稳定的控制方法。若输电线路故障会呈现暂态稳定问题，为解决故障暂态稳定问题需要对输电线路中功角补偿装置的相应开关进行快速的操作，以使有功功率传输的功角运行特性曲线为满足输电线路极限稳定要求，在有功功率传输的功角运行特性曲线达到极限切除角之前完成功角补偿装置相应开关的操作，这样就需要建立相应的暂态稳定的控制方法。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

在传统的有功功率传输的功角运行特性曲线的功角补偿装置中，多采用可控硅整流器(SCR)或可关断的可控硅整流器(GTO)进行调节，此功角补偿装置获得的交流调节控制量谐波分量大，精确度差，其对应的控制方法易对静态稳定的精确控制产生误操作。另外，传统的功角补偿装置中基于SCR或GTO开关的调节速度较慢，在输电线路发生暂态故障时，有功功率传输的功角运行特性曲线上故障切除角有可能超过极限切除角，使系统失去暂态稳定，不能满足输电线路稳定运行的实时控制要求，因此，在有功功率传输的功角运行特性曲线运行在接近稳定极限状态时，由于速度慢、精确度差，传统的功角补偿装置易对微电网与大电网之间输电线路的稳定运行造成潜在或直接失去稳定的威胁。

发明内容

本发明的目的在于提供一种传输功角的补偿装置及补偿方法，充分利用IGBT模块的快速响应特性，迅速调节输电线路上的有功功率和功角偏移的变化，使得有功功率和功角偏移处于合理的范围内。

为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种微电网与大电网间的传输功角的补偿装置，包括降压变压器、二极管整流模块、IGBT模块、功角补偿变压器以及中央处理模块，其中，所述降压变压器与所述微电网侧连接，用于对微电网侧的电压进行降压处理；所述二极管整流模块，用于对所述降压变压器降压后的电信号进行整流处理；所述IGBT模块，用于根据所述中央处理模块输出的PWM控制信号，将所述二极管整流模块整流后的直流电信号转换为交流信号，并输出到所述功角补偿变压器；所述功角补偿变压器，设置在微电网与大电网间的输电线路上，用于对IGBT模块产生的交流电压信号进行升压处理，并叠加到所述输电线路的电信号上；所述中央处理模块，进行如下处理：

获取t时刻和t-1时刻的所述功角补偿变压器的原边线圈的功角偏移α(t)、α(t-1)，所述微电网侧的电源向量所述大电网侧的电源向量输电线路的电抗jX_L(t)、jX_L(t-1)，所述与之间的夹角δ(t)，所述与之间的夹角δ(t-1)；

如果所述α(t)的绝对值在第一阈值以下，则执行如下操作：

通过如下公式计算t时刻和t-1时刻的所述微电网侧向大电网侧输送的第一有功功率P(t)、P(t-1)，其中，以下公式中的正负号根据α(t)、α(t-1)相对于δ(t)、δ(t-1)的偏移方向而定，向δ(t)、δ(t-1)增大的方向偏移为正，向δ(t)、δ(t-1)减小的方向偏移为负：

$P\left(t\right)=\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_s\left(t\right)\right|\left|{\stackrel{\‾}{V}}_r\left(t\right)\right|}{\left|X_L\left(t\right)\right|}\sin (\mathrm{\δ}\left(t\right)\±\mathrm{\α}\left(t\right))$ 和 $P(t-1)=\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_s(t-1)\right|\left|{\stackrel{\‾}{V}}_r(t-1)\right|}{\left|X_L(t-1)\right|}\sin (\mathrm{\δ}(t-1)\±\mathrm{\α}(t-1));$

然后，计算t时刻和t-1时刻的第一有功功率P(t)、P(t-1)之间的差值ΔP(t)以及功角偏移α(t)、α(t-1)的差值Δα(t)；根据所述ΔP(t)和Δα(t)生成向所述IGBT模块的开关控制端输入的PWM信号；

如果所述α(t)的绝对值大于所述第一阈值，则执行如下操作：

通过如下公式计算t时刻和t-1时刻的所述微电网侧向大电网侧输送的第二有功功率P_b(t)、P_b(t-1)，以下公式中的正负号根据α(t)、α(t-1)相对于δ(t)、δ(t-1)的偏移方向而定，向δ(t)、δ(t-1)增大的方向偏移为正，向δ(t)、δ(t-1)减小的方向偏移为负：

$P_b\left(t\right)=\frac{{\left|\stackrel{\‾}{V}\left(t\right)\right|}^2}{X_L\left(t\right)}(\sin \mathrm{\δ}\left(t\right)\±\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\right|}{\left|\stackrel{\‾}{V}\left(t\right)\right|}\cos \mathrm{\δ}\left(t\right)),P_b(t-1)=\frac{{\left|\stackrel{\‾}{V}(t-1)\right|}^2}{X_L(t-1)}(\sin \mathrm{\δ}(t-1)\±\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}(t-1)\right|}{\left|\stackrel{\‾}{V}(t-1)\right|}\cos \mathrm{\δ}(t-1));$

然后，计算t时刻和t-1时刻的第二有功功率P_b(t)、P_b(t-1)之间的差值ΔP_b(t)以及功角偏移α(t)、α(t-1)的差值Δα(t)；根据所述ΔP_b(t)和Δα(t)生成向所述IGBT模块的开关控制端输入的PWM信号。

本发明的实施例还提供了一种微电网与大电网间的传输功角的补偿方法，包括：获取t时刻和t-1时刻的所述功角补偿变压器的原边线圈的功角偏移α(t)、α(t-1)，所述微电网侧的电源向量所述大电网侧的电源向量输电线路的电抗jX_L(t)、jX_L(t-1)，所述与之间的夹角δ(t)，所述与之间的夹角δ(t-1)；

如果所述α(t)的绝对值在所述第一阈值以下，则执行如下操作：

通过如下公式计算t时刻和t-1时刻的所述微电网侧向大电网侧输送的第一有功功率P(t)、P(t-1)，其中，以下公式中的正负号根据α(t)、α(t-1)相对于δ(t)、δ(t-1)的偏移方向而定，向δ(t)、δ(t-1)增大的方向偏移为正，向δ(t)、δ(t-1)减小的方向偏移为负：

$P\left(t\right)=\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_s\left(t\right)\right|\left|{\stackrel{\‾}{V}}_r\left(t\right)\right|}{\left|X_L\left(t\right)\right|}\sin (\mathrm{\δ}\left(t\right)\±\mathrm{\α}\left(t\right))$ 和 $P(t-1)=\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_s(t-1)\right|\left|{\stackrel{\‾}{V}}_r(t-1)\right|}{\left|X_L(t-1)\right|}\sin (\mathrm{\δ}(t-1)\±\mathrm{\α}(t-1));$

然后，计算t时刻和t-1时刻的第一有功功率P(t)、P(t-1)之间的差值ΔP(t)以及功角偏移α(t)、α(t-1)的差值Δα(t)；

根据所述ΔP(t)和Δα(t)生成控制IGBT模块的开关操作的PWM信号；

如果所述α(t)的绝对值大于所述第一阈值，则执行如下操作：

通过如下公式计算t时刻和t-1时刻的所述微电网侧向大电网侧输送的第二有功功率P_b(t)、P_b(t-1)，以下公式中的正负号根据α(t)、α(t-1)相对于δ(t)、δ(t-1)的偏移方向而定，向δ(t)、δ(t-1)增大的方向偏移为正，向δ(t)、δ(t-1)减小的方向偏移为负：

$P_b\left(t\right)=\frac{{\left|\stackrel{\‾}{V}\left(t\right)\right|}^2}{X_L\left(t\right)}(\sin \mathrm{\δ}\left(t\right)\±\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\right|}{\left|\stackrel{\‾}{V}\left(t\right)\right|}\cos \mathrm{\δ}\left(t\right)),P_b(t-1)=\frac{{\left|\stackrel{\‾}{V}(t-1)\right|}^2}{X_L(t-1)}(\sin \mathrm{\δ}(t-1)\±\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}(t-1)\right|}{\left|\stackrel{\‾}{V}(t-1)\right|}\cos \mathrm{\δ}(t-1));$

然后，计算t时刻和t-1时刻的第二有功功率P_b(t)、P_b(t-1)之间的差值ΔP_b(t)以及功角偏移α(t)、α(t-1)的差值Δα(t)；

根据所述ΔP_b(t)和Δα(t)生成控制IGBT模块的开关操作的PWM信号。

本发明实施例的传输功角的补偿装置及补偿方法，通过检测输电线路上不同时刻的大电网侧和微电网侧的电源向量以及功角偏移，计算出了输电线路上的有功功率和功角偏移的变化量，然后根据有功功率和功角偏移的变化量生成PWM信号，并通过IGBT模块生成相应的电压信号，从而调整输电线路上的有功功率的功角偏移。在该调整机制中，通过上述各个公式能够合理地计算出需要调整的有功功率和功角偏移的变化量，并利用IGBT模块的快速响应特性，迅速调节输电线路上的有功功率和功角偏移的变化，使得有功功率和功角偏移处于合理的范围内。此外，根据输电线路处于静态稳定或暂态稳定的不同情况，采用了不同的计算公式，从而能够更加合理地消除输电线路上的有功功率和功角偏移的波动。

附图说明

图1为本发明实施例一的微电网与大电网间的传输功角的补偿装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一的整个电力传输系统的等效电路图；

图3为本发明实施例一的静态稳定状态下的功角补偿电压向量图；

图4为本发明实施例一的静态稳定状态下的功角运行特性曲线图；

图5为本发明实施例一的暂态稳定状态下的功角运行特性曲线图之一；

图6为本发明实施例一的暂态稳定状态下的功角补偿电压向量图；

图7为本发明实施例一的暂态稳定状态下的功角运行特性曲线图之二；

图8为本发明实施例一的暂态稳定状态下的功角运行特性曲线图之三。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

本发明实施例的基本技术原理在于，通过检测输电线路上不同时刻的大电网侧和微电网侧的电源向量以及功角偏移，合理计算输电线路上的有功功率变化以及功角偏移的变化，并根据有功功率变化以及功角偏移的变化生成PWM脉冲信号，控制IGBT模块产生电压信号，并通过功角补偿变压器，将电压信号叠加到输电线路上，从而将有功功率以及功角偏移的波动控制在合理的范围内。另外，根据输电线路的功角偏移的大小，又可以划分为静态稳定和暂态稳定，对于静态稳定和暂态稳定，由于其有功功率的特性曲线不同，因此，对于有功功率的计算方式也是不同的。

为了具体实施方式的描述，将本发明实施例中所涉及的参数含义列出如下：

微电网侧的电源向量；

大电网侧的电源向量；

δ(t)：与之间的夹角，被看做是产生稳定问题之前的原始运行工作点或原始运行角度；

α(t)：功角偏移；

功角补偿变压器的副边线圈上的电压向量；

jX_L(t)：输电线路的电抗；

P(t)：第一有功功率，更具体地，在本发明的实施例中表示在静态稳定的状态下的输电线路上的有功功率；

P_b(t)：第二有功功率，更具体地，在本发明的实施例中表示在暂态稳定的状态下的输电线路上的有功功率；

P_e(t)：理想状态下，微电网通过输电线路向大电网输入的有功功率；

P_max(t)：微电网向大电网输出的有功功率的最大值；

ΔP(t)：t时刻和t-1时刻的P(t)、P(t-1)之间的差值；

ΔP_b(t)：t时刻和t-1时刻的P_b(t)、P_b(t-1)之间的差值；

Δα(t)：t时刻和t-1时刻的α(t)、α(t-1)之间的差值；

m、n点之间产生电压向量，即IGBT模块产生的电压向量，也是功角补偿变压器副边线圈上的电压向量。

微电网侧等效电压向量；

输电线路上的电流向量；

输电线路的电抗jX_L(t)上的电压向量；

输电线路的运行电压；

以上各参数表示t时刻所对应的各个参数的值，即各参数均可表示为时间t的函数，将上述各参数括号中的t置换成t-1后，就表示t-1时刻对应的各个参数的值，参数的物理含义不变，因此，对于下面涉及t-1时刻的参数，将不再重复进行说明。

实施例一

如图1所示，其为本发明实施例一的微电网与大电网间的传输功角的补偿装置的结构示意图，该补偿装置包括降压变压器、二极管整流模块、IGBT模块、功角补偿变压器以及中央处理模块，其中，降压变压器与微电网侧连接，用于对微电网侧的电压进行降压处理；二极管整流模块，用于对降压变压器降压后的电信号进行整流处理；IGBT模块，用于根据中央处理模块输出的PWM控制信号，将二极管整流模块整流后的直流电信号转换为交流信号，并输出到功角补偿变压器；功角补偿变压器，用于对IGBT模块产生的交流电压信号进行升压处理，并叠加到输电线路的电信号上；中央处理模块，进行如下处理：

获取t时刻和t-1时刻的功角补偿变压器的原边线圈的功角偏移α(t)、α(t-1)，微电网侧的电源向量大电网侧的电源向量 输电线路的电抗jX_L(t)、jX_L(t-1)，与之间的夹角δ(t)，与之间的夹角δ(t-1)；

如果α(t)的绝对值在第一阈值以下，则执行如下操作：

通过如下公式计算t时刻和t-1时刻的微电网侧向大电网侧输送的第一有功功率P(t)、P(t-1)，其中，以下公式中的正负号根据α(t)、α(t-1)相对于δ(t)、δ(t-1)的偏移方向而定，向δ(t)、δ(t-1)增大的方向偏移为正，向δ(t)、δ(t-1)减小的方向偏移为负：

$P\left(t\right)=\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_s\left(t\right)\right|\left|{\stackrel{\‾}{V}}_r\left(t\right)\right|}{\left|X_L\left(t\right)\right|}\sin (\mathrm{\δ}\left(t\right)\±\mathrm{\α}\left(t\right))$ ………………………………式(1)

$P(t-1)=\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_s(t-1)\right|\left|{\stackrel{\‾}{V}}_r(t-1)\right|}{\left|X_L(t-1)\right|}\sin (\mathrm{\δ}(t-1)\±\mathrm{\α}(t-1))$ ………………………式(2)

然后，计算t时刻和t-1时刻的第一有功功率P(t)、P(t-1)之间的差值ΔP(t)以及功角偏移α(t)、α(t-1)的差值Δα(t)；

根据ΔP(t)和Δα(t)生成向IGBT模块的开关控制端输入的PWM信号；

如果α(t)的绝对值大于第一阈值，则执行如下操作：

通过如下公式计算t时刻和t-1时刻的微电网侧向大电网侧输送的第二有功功率P_b(t)、P_b(t-1)，以下公式中的正负号根据α(t)、α(t-1)相对于δ(t)、δ(t-1)的偏移方向而定，向δ(t)、δ(t-1)增大的方向偏移为正，向δ(t)、δ(t-1)减小的方向偏移为负：

$P_b\left(t\right)=\frac{{\left|\stackrel{\‾}{V}\left(t\right)\right|}^2}{X_L\left(t\right)}(\sin \mathrm{\δ}\left(t\right)\±\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\right|}{\left|\stackrel{\‾}{V}\left(t\right)\right|}\cos \mathrm{\δ}\left(t\right))$ ………………………………式(3)

$P_b(t-1)=\frac{{\left|\stackrel{\‾}{V}(t-1)\right|}^2}{X_L(t-1)}(\sin \mathrm{\δ}(t-1)\±\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}(t-1)\right|}{\left|\stackrel{\‾}{V}(t-1)\right|}\cos \mathrm{\δ}(t-1))$ ………………………式(4)

然后，计算t时刻和t-1时刻的第二有功功率P_b(t)、P_b(t-1)之间的差值ΔP_b(t)以及功角偏移α(t)、α(t-1)的差值Δα(t)；

根据ΔP_b(t)和Δα(t)生成向IGBT模块的开关控制端输入的PWM信号。

上述的第一阈值实际上是将输电线路的功角偏移状态，划分为静态稳定和暂态稳定，一般而言，将第一阈值设定为15度。

在上述的实施例的补偿装置中，通过检测输电线路上不同时刻的大电网侧和微电网侧的电源向量以及功角偏移，计算出了输电线路上的有功功率和功角偏移的变化量，然后根据有功功率和功角偏移的变化量生成PWM信号，并通过IGBT模块生成相应的电压信号，从而调整输电线路上的有功功率的功角偏移。在该调整机制中，通过上述各个公式能够合理地计算出需要调整的有功功率和功角偏移的变化量，并利用IGBT模块的快速响应特性，迅速调节输电线路上的有功功率和功角偏移的变化，使得有功功率和功角偏移处于合理的范围内。此外，根据输电线路处于静态稳定或暂态稳定的不同情况，采用了不同的计算公式，从而能够更加合理地消除输电线路上的有功功率和功角偏移的波动。

进一步地，该补偿装置的具体结构可以为如下形态：降压变压器具有3组原边线圈和3组副边线圈，二极管整流模块具有3组二极管整流单元，IGBT模块为3组，每组IGBT模块具有3组IGBT单元，功角补偿变压器具有3组原边线圈和3组副边线圈，中央处理模块具有与IGBT单元的开关控制端的数目的1/2的PWM控制信号输出端；降压变压器的3组原边线圈分别与微电网侧的三相线路对应连接，降压变压器的3组副边线圈与3组二极管整流单元的输入端对应连接；3组二极管整流单元的输出端与每组IGBT模块中的3组IGBT单元的输入端分别对应连接；每组IGBT模块中的3组IGBT单元串联连接，各组IGBT单元的开关控制端分别与中央处理模块的多个PWM控制信号输出端对应连接，3组IGBT模块的输出端与3组功角补偿变压器的原边线圈对应连接；3组功角补偿变压器的副边线圈对应串接在微电网与大电网之间的三相的输电线路上。

下面将对本发明实施例的电路模块结构以及数据处理进行更加详细的描述。

从整体结构上而言，本发明实施例的补偿装置主要包括：降压变压器、二极管整流模块、IGBT模块、功角补偿变压器以及中央处理模块，此外，还可以进一步包括交流信号检测模块和直流系统检测控制电路等。而对于整个电力传输系统而言，还涉及微电网侧等效电路、输电线路以及大电网侧等效电路。如图2所示，其为本发明实施例一的整个电力传输系统的等效电路图，其中，微电网侧与大电网侧分别构成等效电源，并且微电网侧与大电网侧的等效电源串接形成回路，而本发明实施例的补偿装置位于串联电路中，该等效电路中还串接有输电线路的等效电抗。下面将主要参照图1和图2，各个电路组成部分进行逐一介绍。

(一)微电网侧和大电网侧

本发明的实施例主要涉及在输电线路上对传输信号的功角偏移进行调整的技术方案，因此，在图1和图2中，将微电网侧和大电网侧分别等效为两组等效电源。

大电网侧的等效电源的正极经过大电网侧母线r连接到输电线路上，其负极接地，大电网侧的等效电源对应的电源向量为也可以表示为由于在微电网和大电网构成的电力传输系统中，一般以t时刻大电网侧电源向量作为参考向量，因此，其向量角度为零。

微电网侧的等效电源的正极经过微电网侧的母线S连接到输电线路上，其负极接地。微电网侧的等效电源的电源向量为也可以表示为其中，δ(t)是与之间的夹角。

(二)降压变压器

在本发明的实施例中，降压变压器T₁具有3组线圈，分别对应连接于A、B、C三相输电线路，在图1中3组降压变压器整体上标记为T₁，其主要用于对微电网侧的电压进行降压处理。

其中，T₁的A相原边线圈为T₁₁，T₁的B相原边线圈为T_1x，T₁的C相原边线圈为T_1y，T₁的A相副边线圈为T₁₂，T₁的B相副边线圈为T_1z，T₁的C相副边线圈为T_1w。

T₁的各原边线圈的正极分别对应连接在微电网侧的三相输出线路上，或者连接在靠近微电网侧母线S的输电线路上，T₁的各原边线圈的负极与地连接(在110kV及以上系统，各原边线圈的公共负极点可以直接接地，若在110kV以下系统，各原边线圈的公共负极点可以悬空或经小电流接地)。T₁的各副边线圈的正极和负极分别对应连接在二极管整流模块的各个二极管整流单元的输入端上。

(三)二极管整流模块

在本发明的实施例中，二极管整流模块具有3组二极管整流单元，分别为D₁、D₂、D₃，3组二极管整流单元分别对应于三相线路对应，以A相线路为例，D₁的左上端(即D₁的其中一个输入端)与T₁₂的正极相连，D₁的左下端(即D₁的另一个输入端)与T₁₂的负极相连。二极管整流模块用于将降压变压器的各副边线圈上的经过降压的交流电信号进行整流，生成直流电信号，并提供给IGBT单元。

(四)直流系统检测控制电路

在本发明的实施例中，在二极管整流模块与IGBT模块之间还可以设置有直流系统检测控制电路，其主要作用是对各二极管整流单元输出的电信号进行监控，及时发现电路异常，进行报警处理等。该直流系统检测控制电路包括3组直流系统检测控制单元，以A相的直流系统检测控制单元为例，其包括电感L₁、电感L₂、直流电容C_d，电感L₁的正极与二极管整流单元D₁的左上端(即二极管整流单元D₁其中一个输出端)相连，L₁的负极与C_d的正极、L₂的正极相连，电容C_d的正极与L₁的负极、L₂的正极相连，该直流系统检测控制单元检测t时刻的电感L₁的电流I_L1(t)、电感L₂中的电流I_L2(t)，直流电容C_d上的电压V_d(t)，并将这些检测值传输至中央处理模块，进行分析，及时发现电路异常，进行报警处理等。而二极管整流单元输出两路电信号中一路经过电感L₁、电感L₂送至IGBT单元，另一路送至中央处理模块，用于中央处理模块对整流后的直流信号进行监控。D₁下端输出的开关信息与C_d的电压信息、L₁的电流信息，L₂的电流信息可以一起被送入数字信号处理器(DSP)模块(对应于中央处理模块)，作为对电路运行情况进行监控的数据基础。

对于本发明实施例的补偿装置而言，直流系统检测控制电路并非必须，即该直流系统检测控制电路可以省略，而将二极管整流模块直接与IGBT模块进行连接。

(五)IGBT模块

在本发明的实施例中，IGBT模块用于根据中央处理模块输出的PWM信号，将二极管整流模块输出的直流电信号转换为交流电信号，并输出至功角补偿变压器的原边线圈上。IGBT模块共有3组，图1中仅仅示出了一组，每一组IGBT模块对应一相的功角补偿变压器的原边线圈，每一组IGBT模块又包括3组IGBT单元，3组IGBT单元串接后构成一组IGBT模块，3组IGBT单元分别与三相线路上的3个二极管整流单元对应连接，而每个IGBT单元由四个IGBT子单元构成，如图1中所示，IGBT子单元包括IGBT₁至IGBT₁₂。

对于IGBT模块来说，是通过与三相线路对应连接的、串接在一起的3组IGBT单元来生成对应于一相线路的功角补偿变压器的原边线圈上的电信号，从而来调整串接在微电网与大电网之间的输电线路上的功角补偿变压器的副边线圈的电信号，即对于本发明实施例来说，共有3组IGBT模块，9组IGBT单元。

下面对每组IGBT单元的具体连接方式进行说明，以对应于A相线路的IGBT单元为例，IGBT₁和IGBT₂的集电极连接在一起(图中示出为连接于m点)并与功角补偿变压器的原边线圈的正极连接，IGBT₃和IGBT₄的发射极连接在一起并与下一个IGBT单元的IGBT₅和IGBT₆的集电极连接。电感L₂的负极(对应于二极管整流单元D₁的一个输出端)与IGBT₁的发射极、IGBT₃的集电极相连，电容C_d的负极与二极管整流单元D₁的右下端(即二极管整流单元D₁另一个输出端)、IGBT₂的发射极、IGBT₄的集电极相连。

IGBT单元的开关控制端(即各个IGBT子单元的栅极)与数字信号处理器(DSP)的输出端口连接，通过DSP输出的PWM信号来控制IGBT单元的开关控制，从而产生模拟信号，通过调整输出的PWM的占空比、频率等参数，可以使得IGBT单元产生不同的模拟信号波形。具体地，以连接在A相线路上的IGBT单元为例，IGBT₁的栅极和IGBT₄的栅极与数字信号处理器(DSP)的输出端口PWM₁相连，IGBT₂的栅极和IGBT₃的栅极与数字信号处理器(DSP)模块的输出端口PWM₂相连。其他各相的IGBT单元的连接方式与A相线路的IGBT单元的连接方式是相同的。

(六)功角补偿变压器

在本发明的实施例中，功角补偿变压器具有3组线圈，3组线圈分别对应连接于A、B、C三相输电线路，在图1仅示出了A相输电线路的线圈，表示为T₂，功角补偿变压器T₂的原边线圈表示为T₂₁，副边线圈表示为T₂₂。功角补偿变压器T₂的原边线圈T₂₁的正极和负极连接在IGBT模块的两端的m点和n点，即原边线圈T₂₁的正极与IGBT₁的集电极、IGBT₂的集电极相连，负极与IGBT₁₁的发射极、IGBT₁₂的发射极相连。功角补偿变压器T₂的原边线圈T₂₁的副边线圈T₂₂串接在A相输电线路上。

在补偿装置的运行的过程中，数字信号处理器(DSP)模块对相应的IGBT₁至IGBT₁₂进行开关控制，在t时刻m、n点之间产生电压并将其施加到功角补偿变压器的原边线圈T₂₁，经过耦合在T₂₂上产生调整功角偏移α(t)。

(七)交流信号检测模块

在本发明的实施例中，中央处理模块所需要获取的各个交流信号的电流或电压的等检测数据可以通过交流信号检测模块获取，交流信号检测模块可以连接在输电线路上(根据需要可以在输电线路的不同位置处设置多个信号检测点，以测量不同的数据)，用来检测输电线路上的各种电压和/或电流信号，并转化为数字量传输给数字信号处理器(DSP)，用于计算功率变换量等。需要说明的是，在一般的微电网与大电网的电路以及传输线路的电路结构中，均设置有检测电流或电压的模块，因此，对于本发明实施例而言，不必单独设置的交流信号检测模块，而完全可以利用已有的电网的电路结构中的检测单元完成检测获得想要的数据，或者基于已有的电网的电路结构中的检测单元检测数据，进行计算后获得想要的数据。对于具体如何实现交流信号的各个参数的检测是属于现有技术的范畴，本领域技术人员是能够获知并实现具体的电压或电流的检测。例如，想获得交流信号检测模块的实现功角补偿变压器的原边线圈的电压，则在功角补偿变压器的原边线圈上设置相应的电压测量单元即可。

交流信号检测模块主要检测的数据为：检测t时刻和t-1时刻的功角补偿变压器的原边线圈的电压向量微电网侧的电源向量大电网侧的电源向量输电线路的电抗jX_L(t)、jX_L(t-1)，与之间的夹角δ(t)，与之间的夹角δ(t-1)，输电线路上的电流向量等。具体的检测方式或者电路结构可以采用现有检测方式以及检测电路。

(八)中央处理模块

在本发明的实施例中，如图1所示，中央处理模块可以具体为数字信号处理器(DSP)。数字信号处理器(DSP)根据交流信号检测模块检测的数据，计算ΔP_b(t)和Δα(t)，并根据ΔP_b(t)和Δα(t)生成PWM信号，以对IGBT模块进行开关控制，最终使得IGBT模块向功角补偿变压器的原边线圈输出交流电信号，从而调整输电线路上的功角偏移。

下面对数字信号处理器(DSP)所进行的数据处理进行详细说明。

1、静态稳定和暂态稳定的判断

数字信号处理器(DSP)首先根据交流信号检测模块检测到的交流信号来判断输电线路处于是处于静态稳定还是暂态稳定。

判断依据为传输线路上的功角偏移α(t)，具体地，可以通过测量或者计算来确定α(t)。

如图2所示的等效电路中，为微电网侧等效电压向量，t时刻的计算公式如下：

${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{seff}}\left(t\right)={\stackrel{\‾}{V}}_r\left(t\right)+{\stackrel{\‾}{I}}_r\left(t\right)\×{\mathrm{jX}}_L\left(t\right)={\stackrel{\‾}{V}}_r\left(t\right)+{\stackrel{\‾}{V}}_X\left(t\right)$ ………………………………式(5)

同理，t-1时刻的的计算公式如下：

${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{seff}}(t-1)={\stackrel{\‾}{V}}_r(t-1)+{\stackrel{\‾}{I}}_r(t-1)\×{\mathrm{jX}}_L(t-1)={\stackrel{\‾}{V}}_r(t-1)+{\stackrel{\‾}{V}}_X(t-1)$ ……………………式(6)

根据该等效电路可知，t时刻功角补偿变压器的副边线圈上的电压向量为：

${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)={\stackrel{\‾}{V}}_s\left(t\right)-{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{seff}}\left(t\right)=\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\right|\∠\±\mathrm{\α}\left(t\right)$ ……………………………………式(7)

同理t-1时刻的为：

${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}(t-1)={\stackrel{\‾}{V}}_s(t-1)-{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{seff}}(t-1)=\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}(t-1)\right|\∠\±\mathrm{\α}(t-1)$ ………………………………式(8)

其中，和为微电网侧的电源向量，可以通过交流信号检测模块测得。

在求出或测得上述的以及后，也得到了功角偏移α(t)和α(t-1)，然后，对α(t)进行判断(也可以对α(t-1)进行判断，原理是一样的)，如果0≤|α(t)|≤15°则认为输电线路出现静态稳定问题，如果|α(t)|>15°则认为输电线路出现暂态稳定问题。

由于输电线路的复杂情况，输电线路的功角偏移α(t)是不能被彻底消除的，但是只要将其控制在合理的范围内，不产生巨大的波动性，就不会对输电线路造成巨大的影响。本发明实施例的核心就是在输电线路出现静态或暂态稳定问题时，有针对性地对α(t)进行迅速补偿调节，以使输电线路保持静态稳定或暂态稳定。

2、静态稳定的数据处理

在确定了输电线路处于静态稳定状态后，分别通过上述公式(1)和(2)计算P(t)、P(t-1)，并且通过上述公式……也能够得到α(t)、α(t-1)，然后再计算Δα(t)和ΔP(t)，计算公式如下：

ΔP(t)＝P(t)-P(t-1)……………………………………………………式(9)

Δα(t)＝α(t)-α(t-1)………………………………………………………式(10)

之后，根据ΔP(t)和Δα(t)生成向IGBT模块的开关控制端输入的PWM信号，其中，主要是根据ΔP(t)确定PWM信号的频率和占空比，而Δα(t)主要是用来确定PWM信号的正负方向。通过上述过程，能够实现对静态稳定状态下的功角偏移的波动的调整。

下面通过图3和图4来详细说明一下本发明实施例中的在静态稳定的状态下的功角偏移现象以及功角偏移的调整原理。如图3和图4所示，图3为本发明实施例一的静态稳定状态下的功角补偿电压向量图，图4为本发明实施例一的静态稳定状态下的功角运行特性曲线图。

如图3中，是t时刻当α(t)角为负值时微电网侧等效电压向量；是t时刻当α(t)角为正值时微电网侧等效电压向量；是t时刻当α(t)角为正值时输电线路上等效电压向量；是t时刻当α(t)角为负值时输电线路上等效电压向量；

从图3中还可以得出：

$\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{seff}}(-\mathrm{\α}\left(t\right))\right|=\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{seff}}(+\mathrm{\α}\left(t\right))\right|=\left|{\stackrel{\‾}{V}}_s\left(t\right)\right|=\left|{\stackrel{\‾}{V}}_r\left(t\right)\right|=\left|\stackrel{\‾}{V}\left(t\right)\right|$ ……………………式(11)

$\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{seff}}(-\mathrm{\α}(t-1))\right|=\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{seff}}(+\mathrm{\α}(t-1))\right|=\left|{\stackrel{\‾}{V}}_s(t-1)\right|=\left|{\stackrel{\‾}{V}}_r(t-1)\right|=\left|\stackrel{\‾}{V}(t-1)\right|$ ……………式(12)

是的幅值，是的幅值，是t时刻输电线路的运行电压，是的幅值，是t-1时刻当α(t-1)角为负值时微电网侧等效电压向量，是的幅值，是t-1时刻当α(t-1)角为正值时微电网侧等效电压向量，是的幅值；是的幅值；是的幅值；是的幅值；是t-1时刻输电线路的运行电压，是的幅值。

图4中，P_e(t)为理想状态下的t时刻微电网通过输电线路向大电网输入的有功功率，t时刻功角运行特性曲线表示为P₁(t)，功率角的初始运行点为δ₁(t)，功角运行特性曲线的初始运行点为P_e(t)和功角运行特性曲线P₁(t)的交点，即图中的A点，从上述式(3)及图4可知，当t时刻功角运行特性曲线为P₁(t)时，其微电网向大电网输出的有功功率的最大值为P_max(t)，其计算公式如下：

$P_{\max }\left(t\right)=\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_s\left(t\right)\right|\left|{\stackrel{\‾}{V}}_r\left(t\right)\right|}{\left|X_L\left(t\right)\right|}\sin (\mathrm{\π}/2)=\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_s\left(t\right)\right|\left|{\stackrel{\‾}{V}}_r\left(t\right)\right|}{\left|X_L\left(t\right)\right|}$ …………………式(13)

此时，δ(t)＝π/2，功角偏移α(t)＝0。

从微电网通过输电线路向大电网输入有功功率呈现静态稳定的概念中可知，当功角运行特性曲线运行在功率角的初始运行点δ₁(t)时，功角运行特性曲线的初始运行点为P_e(t)和P₁(t)的交点为A点，若在此t时刻输电线路出现一个小扰动，则功角运行特性曲线的初始运行点从P₁(t)曲线上的A点向A₁点或A₂点移动，若微电网、输电线路、大电网处于静态稳定状态，则初始运行点应在A₁点至A₂点之间来回震荡，对于功角偏移为-α(t)，相应震荡终止点为A₂点，其功率角为δ₁(t)-α(t)，对于功角偏移为+α(t)，相应震荡终止点为A₁点，其功率角为δ₁(t)+α(t)，初始运行点以A点为中心往返震荡过程中，A、A₁、A₃之间构成的减速面积等于A、A₂、A₄三点间构成的加速面积(参见图中的阴影部分)，往返震荡过程中，图中阴影部分所示的面积会以A点为中心收敛或扩散，这个过程即形成了著名的功角摇摆曲线。现有的功角补偿装置由于速度慢，精确度差，易使功角摇摆曲线向发散的趋势发展，输电线路失去静态稳定。

本发明实施例采用了通过上述的各个公式计算Δα(t)和ΔP(t)，并基于Δα(t)和ΔP(t)生成PWM信号的方式控制IGBT模块生成模拟信号，对输电线路上的功角偏移的变化进行了快速的响应和调整，可使t时刻的功角运行特性曲线P₁(t)迅速平移+α(t)或-α(t)(为了方便说明图4中直接以+α(t)或-α(t)，在实际的应用中，将功角运行特性曲线平移的量为Δα(t))，使得功率角平移到δ₁(t)+α(t)或δ₁(t)-α(t)，从而将功角运行特性曲线的初始运行点从A点平移到A₃点或A₄点。图4中的A₃点(对应的功角为δ₁(t)+α(t))为功角运行特性曲线P₂(t)与P_e(t)的交点，图4中的A₄点(对应的功角为δ₁(t)-α(t))为功角运行特性曲线P₃(t)与P_e(t)的交点，A₃点、A₄点与A点对应相同的功率值P_e(t)，都是静态稳定工作点，故可使输电线路迅速达到静态稳定。

从图4中可知，功角运行特性曲线P₂(t)对应于功角偏移+α(t)，即若静态稳定运行点在原来功角运行特性曲线P₁(t)的A点(对应功角为δ₁(t))，由于小扰动而使运行点偏移至A₁点，即功率角平移到δ₁(t)+α(t)，本发明的实施例通过合理计算ΔP(t)和Δα(t)，并基于ΔP(t)和Δα(t)生成功角补偿信号，从而可使整个功角运行特性曲线迅速从P₁(t)平移至P₂(t)，初始运行点从A点迅速平移到新的运行点A₃点，由于A点和A₃点相对于P_e(t)都是初始运行点，不再有增速与减速面积，即输电线路运行在新的功角运行特性曲线P₂(t)和新的初始运行点A₃上，且对应的功率角为δ₁(t)+α(t)，使其达到新的静态稳定运行点。同理，若静态稳定工作点在原来功角运行特性曲线P₁(t)的A点处(对应功角为δ₁(t))，由于小扰动而使运行点偏移至A₂点，即功率角平移到δ₁(t)-α(t)，本发明的实施方式可使整个功角运行特性曲线迅速从P₁(t)平移至P₃(t)，初始运行点从A点迅速平移到A₄点，由于A点和A₄点相对于P_e(t)都是初始运行点，不再有增速与减速面积，即输电线路运行在新的功角运行特性曲线P₃(t)和新的初始运行点A₄且对应功率角δ₁(t)-α(t)，使其达到新的静态稳定运行点。

从图中可知，由于功角运行特性曲线P₂(t)和P₃(t)是从P₁(t)平移后得到的，故三条功角运行特性曲线形状完全相同，其最大值都是P_max(t)，对于P₁(t)其最大值发生在功率角等于π/2，对于P₂(t)其最大值发生在功率角等于π/2+α(t)，对于P₃(t)其最大值发生在功率角等于π/2-α(t)。平移后的功角运行特性曲线P₂(t)和P₃(t)与P₁(t)一样，因此，通过本发明实施例的功角补偿装置，对输电线路上的电信号进行功角补偿调整后，不会对信号传输造成较大波动。

3、暂态稳定的数据处理

在确定了输电线路处于暂态稳定状态后，分别通过上述式(3)和式(4)计算P_b(t)、P_b(t-1)，并且通过上述公式……也能够得到α(t)、α(t-1)，然后再计算Δα(t)和ΔP_b(t)，计算公式如下：

ΔP_b(t)＝P_b(t)-P_b(t-1)……………………………………………式(14)

Δα(t)＝α(t)-α(t-1)……………………………………………式(15)

其中，Δα(t)的计算方法与静态稳定时相同。

之后，根据Δα(t)和ΔP_b(t)生成向IGBT模块的开关控制端输入的PWM信号，其中，主要是根据ΔP_b(t)确定PWM信号的频率和占空比，而Δα(t)主要是用来确定PWM信号的正负方向。通过上述过程，能够实现对暂态稳定状态下的功角偏移的波动的调整。暂态稳定与静态稳定下的功角偏移的波动的调整的主要区别在于，ΔP_b(t)的计算方法或者说是P_b(t)、P_b(t-1)的计算方法不同。下面通过图5至图8对本发明实施例一的功角补偿原理进行说明。

如图5所示，其本发明实施例一的暂态稳定状态下的功角运行特性曲线图之一，其示出了暂态故障时功角运行特性曲线等面积法则图，下面结合电力系统输电线路暂态稳定运行的原理，对图5中示出的微电网与大电网之间的输电线路的暂态稳定状况进行说明。在输电线路出现暂态故障之前，输电线路运行在功角运行特性曲线P_1δ(t)上，其运行工作点为A点，对应于功率角δ₂(t)，当输电线路发生暂态故障时，功角运行特性曲线从P_1δ(t)跌落至P_2δ(t)，其工作点也由A点跌落至C点，但仍对应于功率角δ₂(t)，微电网开始产生加速面积，其加速面积S_ABCA(图5中A、B、C三点围成的面积)，运行工作点在功角运行特性曲线P_2δ(t)上，从C点运行到B点对应功率角δ₃(t)，图5中可看出，若运行工作点继续在P_2δ(t)上运行，则将会通过D点(对应功率角δ₄(t))到达G点，δ₄(t)也叫功率极限切除角，则减速面积S_BDGB(即图5中B、D、G三点围成的面积)小于加速面积S_ABCA，输电线路将失去暂态稳定。

现有的功角补偿装置由于采用SCR或GTO开关为主要控制设备，其速度慢、精确度差，很容易造成失去暂态稳定的状态发生，而本发明的实施例以IGBT开关为主要控制设备，其速度、精度远大于现有的功角补偿装置基于SCR或GTO开关为主要控制设备。

本发明实施例的功角补偿装置则可以在P_2δ(t)上在运行点未超过D点(对应极限功率切除角δ₄(t))之前，将故障切除，使运行工作点从P_2δ(t)上的D点跃升到P_1δ(t)上的E点，因为加速面积S_ABCA等于S_BDEFGB(B、D、E、F、G五点间围成的面积)，即使得加速面积与减速面积相等，使微电网与大电网之间的输电线路运行保持在暂态稳定的状态。具体调整后的功角运行特性曲线将再后面结合图8进行介绍。

如图6所示，其为本发明实施例一的暂态稳定状态下的功角补偿电压向量图，图6与图3类似，区别主要在于：通过本发明实施例使用的IGBT模块的迅速调节的功能，使得在输电线路出现暂态稳定状态时，与和垂直，从而呈现垂直电压功角补偿的功能。根据图6的向量关系可以得出上述的公式(3)和公式(4)。

如图7所示，其本发明实施例一的暂态稳定状态下的功角运行特性曲线图之二，在图7中，当时，输电线路运行在原始功角运行特性曲线上，如果输电线路发生暂态故障，如图5所示，可能出现减速面积小于加速面积的情况，使微电网与大电网之间的输电线路运行失去暂态稳定。

由于本发明的补偿装置具有产生垂直电压以提升功率补偿的功能，即从图7中可看出，当时，此时不仅功角运行特性曲线可迅速的向右移动，而且功角运行特性曲线的有功功率幅值也迅速增大，这样就大大增加了减速面积，从而可保证在故障发生的瞬间，减速面积大于加速面积，在时间区间小于半个周期内不仅将故障切除，也可保证输电线路的暂态稳定。

图7中当时的功角运行特性曲线适用于+α(t)，即功角运行特性曲线向右移动，而的功角运行特性曲线适用于-α(t)，即功角运行特性曲线向左移动。从图7中可知，当功角运行特性曲线迅速向左右移动的同时，有功功率的幅值也迅速增大，显著地增大减速面积，保证了输电线路在暂态故障时的稳定性。

如图8所示，其本发明实施例一的暂态稳定状态下的功角运行特性曲线图之三，图8示出了当时，垂直电压提升功率功角运行特性曲线时补偿图。在t时刻，图中输电线路运行在原始工作点I点(对应于图中的功率角δ₅(t))，由于输电线路发生暂态故障，功角运行特性曲线从P_b1(t)跌落至P_b2(t)，其工作点也由I点跌落至J点，但仍对应于功率角δ₅(t)，其微电网开始产生加速面积，其加速面积为S_IKJI(I、K、J三点所围成的面积)，运行工作点在功角运行特性曲线P_b2(t)上，从J点运行到K点(对应功率角δ₆(t))，从图8中可看出，若运行工作点继续在P_b2(t)上运行，通过L点(对应功率角δ₇(t))后，进一步通过N点到达O点(对应于功率角δ₈(t))，功率角δ₈(t)即为极限功率切除角，如果在此角度之前切除暂态故障使运行点从P_b2(t)上的O点跃升至P_b1(t)上的S点，则输电线路有可能维持暂态稳定。

图中减速面积为S_KLNOMK(K、L、N、O、M五点围成的面积)，很显然，减速面积S_KLNOMK小于加速面积S_IKJI(I、K、J三点围成的面积)，即使减速面积S_KLNOMK加上面积S_OSPO(O、S、P三点围成的面积)也可能小于加速面积S_IKJI，对于这种情况，现有的功角补偿装置无能为力，而通过本发明实施例的功角补偿装置，能够产生垂直电压提升功率功角补偿，能够使补偿后的功角运行特性曲线迅速平移，使极限功率切除角相对于新的运行点迅速减小，又有使新的功角运行特性曲线最大输出功率迅速增加，如图8所示，调整后的功角运行特性曲线为P_b3(t)，这样，图8中的减速面积瞬间变为曲线P_b2(t)上面积S_KLMK(K、L、M三点围成的面积)加上由于垂直平移而产生的电压曲线P_b3(t)上的面积S_MNRQPOM(M、N、R、Q、P、O六点所围成的面积)，由于本发明的实施例能够产生垂直电压提升功率功角补偿，所以对于输电线路的暂态故障呈现了极为明显的维持稳定的优点。

实施例二

基于上述的微电网与大电网间的传输功角的补偿装置，本发明实施例还涉及一种微电网与大电网间的传输功角的补偿方法，补偿方法包括：

1)数据获取步骤：获取t时刻和t-1时刻的功角补偿变压器的原边线圈的功角偏移α(t)、α(t-1)，微电网侧的电源向量大电网侧的电源向量输电线路的电抗jX_L(t)、jX_L(t-1)，与之间的夹角δ(t)，与之间的夹角δ(t-1)；

2)静态稳定下的补偿步骤：如果α(t)的绝对值在第一阈值以下，则执行如下操作：

通过如下公式计算t时刻和t-1时刻的微电网侧向大电网侧输送的第一有功功率P(t)、P(t-1)，其中，以下公式中的正负号根据α(t)、α(t-1)相对于δ(t)、δ(t-1)的偏移方向而定，向δ(t)、δ(t-1)增大的方向偏移为正，向δ(t)、δ(t-1)减小的方向偏移为负：

$P\left(t\right)=\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_s\left(t\right)\right|\left|{\stackrel{\‾}{V}}_r\left(t\right)\right|}{\left|X_L\left(t\right)\right|}\sin (\mathrm{\δ}\left(t\right)\±\mathrm{\α}\left(t\right))$ 和 $P(t-1)=\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_s(t-1)\right|\left|{\stackrel{\‾}{V}}_r(t-1)\right|}{\left|X_L(t-1)\right|}\sin (\mathrm{\δ}(t-1)\±\mathrm{\α}(t-1));$

然后，计算t时刻和t-1时刻的第一有功功率P(t)、P(t-1)之间的差值ΔP(t)以及功角偏移α(t)、α(t-1)的差值Δα(t)；

根据ΔP(t)和Δα(t)生成控制IGBT模块的开关操作的PWM信号；

3)暂态稳定下的补偿步骤：如果α(t)的绝对值大于第一阈值，则执行如下操作：

通过如下公式计算t时刻和t-1时刻的微电网侧向大电网侧输送的第二有功功率P_b(t)、P_b(t-1)，以下公式中的正负号根据α(t)、α(t-1)相对于δ(t)、δ(t-1)的偏移方向而定，向δ(t)、δ(t-1)增大的方向偏移为正，向δ(t)、δ(t-1)减小的方向偏移为负：

$P_b\left(t\right)=\frac{{\left|\stackrel{\‾}{V}\left(t\right)\right|}^2}{X_L\left(t\right)}(\sin \mathrm{\δ}\left(t\right)\±\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\right|}{\left|\stackrel{\‾}{V}\left(t\right)\right|}\cos \mathrm{\δ}\left(t\right)),P_b(t-1)=\frac{{\left|\stackrel{\‾}{V}(t-1)\right|}^2}{X_L(t-1)}(\sin \mathrm{\δ}(t-1)\±\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}(t-1)\right|}{\left|\stackrel{\‾}{V}(t-1)\right|}\cos \mathrm{\δ}(t-1));$

然后，计算t时刻和t-1时刻的第二有功功率P_b(t)、P_b(t-1)之间的差值ΔP_b(t)以及功角偏移α(t)、α(t-1)的差值Δα(t)；根据ΔP_b(t)和Δα(t)生成控制IGBT模块的开关操作的PWM信号。

本发明的实施例二的传输功角的补偿方法主要是基于对获取到的微电网和大电网以及传输线路的上的交流电压和电路等数据进行处理，生成PWM信号来控制IGBT模块的开关操作，从而实现功角的补偿。在该调整机制中，通过上述各个公式能够合理地计算出需要调整的有功功率和功角偏移的变化量，并利用IGBT模块的快速响应特性，迅速调节输电线路上的有功功率和功角偏移的变化，使得有功功率和功角偏移处于合理的范围内。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种微电网与大电网间的传输功角的补偿装置，其特征在于，该补偿装置包括降压变压器、二极管整流模块、IGBT模块、功角补偿变压器以及中央处理模块，

所述降压变压器与所述微电网侧连接，用于对微电网侧的电压进行降压处理；

所述二极管整流模块，用于对所述降压变压器降压后的电信号进行整流处理；

所述IGBT模块，用于根据所述中央处理模块输出的PWM控制信号，将所述二极管整流模块整流后的直流电信号转换为交流信号，并输出到所述功角补偿变压器；

所述功角补偿变压器，设置在微电网与大电网间的输电线路上，用于对IGBT模块产生的交流电压信号进行升压处理，并叠加到所述输电线路的电信号上；

所述中央处理模块，进行如下处理：

获取t时刻和t-1时刻的所述功角补偿变压器的原边线圈的功角偏移α(t)、α(t-1)，所述微电网侧的电源向量大电网侧的电源向量输电线路的电抗jX_L(t)、jX_L(t-1)，所述与之间的夹角δ(t)，所述与之间的夹角δ(t-1)；

如果所述α(t)的绝对值在第一阈值以下，则执行如下操作：

通过如下公式计算t时刻和t-1时刻的所述微电网侧向所述大电网侧输送的第一有功功率P(t)、P(t-1)，其中，以下公式中的正负号根据α(t)、α(t-1)相对于δ(t)、δ(t-1)的偏移方向而定，向δ(t)、δ(t-1)增大的方向偏移为正，向δ(t)、δ(t-1)减小的方向偏移为负：

$P\left(t\right)=\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_s\left(t\right)\right|\left|{\stackrel{\‾}{V}}_r\left(t\right)\right|}{\left|X_L\left(t\right)\right|}\sin (\mathrm{\δ}\left(t\right)\±\mathrm{\α}\left(t\right))$ 和 $P(t-1)=\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_s(t-1)\right|\left|{\stackrel{\‾}{V}}_r(t-1)\right|}{\left|X_L(t-1)\right|}\sin (\mathrm{\δ}(t-1)\±\mathrm{\α}(t-1));$

然后，计算t时刻和t-1时刻的第一有功功率P(t)、P(t-1)之间的差值ΔP(t)以及功角偏移α(t)、α(t-1)的差值Δα(t)；

根据所述ΔP(t)和Δα(t)生成向所述IGBT模块的开关控制端输入的PWM信号；

如果所述α(t)的绝对值大于所述第一阈值，则执行如下操作：

通过如下公式计算t时刻和t-1时刻的所述微电网侧向所述大电网侧输送的第二有功功率P_b(t)、P_b(t-1)，以下公式中的正负号根据α(t)、α(t-1)相对于δ(t)、δ(t-1)的偏移方向而定，向δ(t)、δ(t-1)增大的方向偏移为正，向δ(t)、δ(t-1)减小的方向偏移为负：

$P_b\left(t\right)=\frac{{\left|\stackrel{\‾}{V}\left(t\right)\right|}^2}{X_L\left(t\right)}(\sin \mathrm{\δ}\left(t\right)\±\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\right|}{\left|\stackrel{\‾}{V}\left(t\right)\right|}\cos \mathrm{\δ}\left(t\right)),P_b(t-1)=\frac{{\left|\stackrel{\‾}{V}(t-1)\right|}^2}{X_L(t-1)}(\sin \mathrm{\δ}(t-1)\±\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}(t-1)\right|}{\left|\stackrel{\‾}{V}(t-1)\right|}\cos \mathrm{\δ}(t-1));$

然后，计算t时刻和t-1时刻的第二有功功率P_b(t)、P_b(t-1)之间的差值ΔP_b(t)以及功角偏移α(t)、α(t-1)的差值Δα(t)；

根据所述ΔP_b(t)和Δα(t)生成向所述IGBT模块的开关控制端输入的PWM信号。

2.根据权利要求1所述的补偿装置，其特征在于，所述第一阈值为15度。

3.根据权利要求1所述的补偿装置，其特征在于，所述降压变压器具有3组原边线圈和3组副边线圈，所述二极管整流模块具有3组二极管整流单元，所述IGBT模块为3组，每组IGBT模块具有3组IGBT单元，所述功角补偿变压器具有3组原边线圈和3组副边线圈，所述中央处理模块具有与所述IGBT单元的开关控制端的数目的1/2的PWM控制信号输出端；

所述降压变压器的3组原边线圈分别与所述微电网侧的三相线路对应连接，所述降压变压器的3组副边线圈与3组所述二极管整流单元的输入端对应连接；

3组所述二极管整流单元的输出端与每组IGBT模块中的3组IGBT单元的输入端分别对应连接；

每组所述IGBT模块中的3组IGBT单元串联连接，各组IGBT单元的开关控制端分别与所述中央处理模块的多个PWM控制信号输出端对应连接，3组所述IGBT模块的输出端与3组所述功角补偿变压器的原边线圈对应连接；

3组所述功角补偿变压器的副边线圈对应串接在所述微电网与大电网之间的三相的输电线路上。

4.根据权利要求1所述的补偿装置，其特征在于，所述α(t)、α(t-1)通过如下方式获得：

获取t时刻和t-1时刻的输电线路上的电流向量

并通过如下公式计算和

${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{seff}}\left(t\right)={\stackrel{\‾}{V}}_r\left(t\right)+{\stackrel{\‾}{I}}_r\left(t\right)\×{\mathrm{jX}}_L\left(t\right)={\stackrel{\‾}{V}}_r\left(t\right)+{\stackrel{\‾}{V}}_X\left(t\right)$ 和

${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{seff}}(t-1)={\stackrel{\‾}{V}}_r(t-1)+{\stackrel{\‾}{I}}_r(t-1)\×{\mathrm{jX}}_L(t-1)={\stackrel{\‾}{V}}_r(t-1)+{\stackrel{\‾}{V}}_X(t-1)$

然后，通过如下公式计算t时刻和t-1时刻的功角补偿变压器的副边线圈上的电压向量和从而求出α(t)、α(t-1)，

${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)={\stackrel{\‾}{V}}_s\left(t\right)-{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{seff}}\left(t\right)=\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\right|\∠\±\mathrm{\α}\left(t\right)$ 和

${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}(t-1)={\stackrel{\‾}{V}}_s(t-1)-{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{seff}}(t-1)=\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}(t-1)\right|\∠\±\mathrm{\α}(t-1).$

5.一种微电网与大电网间的传输功角的补偿方法，其特征在于，在微电网与大电网间的输电线路上设置有功角补偿变压器，所述补偿方法包括：

获取t时刻和t-1时刻的所述功角补偿变压器的原边线圈的功角偏移α(t)、α(t-1)，所述微电网侧的电源向量所述大电网侧的电源向量输电线路的电抗jX_L(t)、jX_L(t-1)，所述与之间的夹角δ(t)，所述与之间的夹角δ(t-1)；

如果所述α(t)的绝对值在所述第一阈值以下，则执行如下操作：

通过如下公式计算t时刻和t-1时刻的所述微电网侧向大电网侧输送的第一有功功率P(t)、P(t-1)，其中，以下公式中的正负号根据α(t)、α(t-1)相对于δ(t)、δ(t-1)的偏移方向而定，向δ(t)、δ(t-1)增大的方向偏移为正，向δ(t)、δ(t-1)减小的方向偏移为负：

$P\left(t\right)=\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_s\left(t\right)\right|\left|{\stackrel{\‾}{V}}_r\left(t\right)\right|}{\left|X_L\left(t\right)\right|}\sin (\mathrm{\δ}\left(t\right)\±\mathrm{\α}\left(t\right))$ 和 $P(t-1)=\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_s(t-1)\right|\left|{\stackrel{\‾}{V}}_r(t-1)\right|}{\left|X_L(t-1)\right|}\sin (\mathrm{\δ}(t-1)\±\mathrm{\α}(t-1));$

然后，计算t时刻和t-1时刻的第一有功功率P(t)、P(t-1)之间的差值ΔP(t)以及功角偏移α(t)、α(t-1)的差值Δα(t)；

根据所述ΔP(t)和Δα(t)生成控制IGBT模块的开关操作的PWM信号；

如果所述α(t)的绝对值大于所述第一阈值，则执行如下操作：

通过如下公式计算t时刻和t-1时刻的所述微电网侧向大电网侧输送的第二有功功率P_b(t)、P_b(t-1)，以下公式中的正负号根据α(t)、α(t-1)相对于δ(t)、δ(t-1)的偏移方向而定，向δ(t)、δ(t-1)增大的方向偏移为正，向δ(t)、δ(t-1)减小的方向偏移为负：

$P_b\left(t\right)=\frac{{\left|\stackrel{\‾}{V}\left(t\right)\right|}^2}{X_L\left(t\right)}(\sin \mathrm{\δ}\left(t\right)\±\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\right|}{\left|\stackrel{\‾}{V}\left(t\right)\right|}\cos \mathrm{\δ}\left(t\right)),P_b(t-1)=\frac{{\left|\stackrel{\‾}{V}(t-1)\right|}^2}{X_L(t-1)}(\sin \mathrm{\δ}(t-1)\±\frac{\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}(t-1)\right|}{\left|\stackrel{\‾}{V}(t-1)\right|}\cos \mathrm{\δ}(t-1));$

然后，计算t时刻和t-1时刻的第二有功功率P_b(t)、P_b(t-1)之间的差值ΔP_b(t)以及功角偏移α(t)、α(t-1)的差值Δα(t)；

根据所述ΔP_b(t)和Δα(t)生成控制IGBT模块的开关操作的PWM信号。

6.根据权利要求5所述的传输功角的补偿方法，其特征在于，所述第一阈值为15度。

7.根据权利要求5所述的传输功角的补偿方法，其特征在于，

所述α(t)、α(t-1)通过如下方式获得：

获取t时刻和t-1时刻的输电线路上的电流向量

并通过如下公式计算和

${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{seff}}\left(t\right)={\stackrel{\‾}{V}}_r\left(t\right)+{\stackrel{\‾}{I}}_r\left(t\right)\×{\mathrm{jX}}_L\left(t\right)={\stackrel{\‾}{V}}_r\left(t\right)+{\stackrel{\‾}{V}}_X\left(t\right)$ 和

${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{seff}}(t-1)={\stackrel{\‾}{V}}_r(t-1)+{\stackrel{\‾}{I}}_r(t-1)\×{\mathrm{jX}}_L(t-1)={\stackrel{\‾}{V}}_r(t-1)+{\stackrel{\‾}{V}}_X(t-1)$

然后，通过如下公式计算t时刻和t-1时刻的功角补偿变压器的副边线圈上的电压向量和从而求出α(t)、α(t-1)，

${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)={\stackrel{\‾}{V}}_s\left(t\right)-{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{seff}}\left(t\right)=\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\right|\∠\±\mathrm{\α}\left(t\right)$ 和

${\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}(t-1)={\stackrel{\‾}{V}}_s(t-1)-{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{seff}}(t-1)=\left|{\stackrel{\‾}{V}}_{\mathrm{\α}}(t-1)\right|\∠\±\mathrm{\α}(t-1).$