CN105870932B - 一种用于改善配电母线电压偏差的控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种用于改善配电母线电压偏差的控制系统，系统采用了高度模块化的系统框架，将各种电压等级、各种功率容量的四象限变频器及配套电动机和需要直接起动的各种电压等级、各种功率容量的交流电动机灵活接入系统，通过协调控制实现设备间的协调配合，改善正常运行和交流电动机直接起动过程中配电母线电压偏差。根据实际使用需要，可以灵活选择接入系统的四象限变频器和直接起动交流电动机。主控制单元、多个配电母线协调控制单元、变频器协调控制单元、直接起动电动机控制单元、配电母线信号采集单元系统计算运行设备参数、协调控制所接入的设备，可用于改善正常运行和交流电动机直接起动时配电母线电压偏差问题。

Description

一种用于改善配电母线电压偏差的控制系统及其方法

技术领域

本发明属于供配电及电气传动领域，具体涉及一种用于改善配电母线电压偏差的系统及其方法。适用于大量使用电动机实现电气传动，且在同一母线下的多台电动机一部分不需要调速、另一部分需要调速的应用场合。

背景技术

电气传动相关设备广泛应用于工业生产的各个领域，实现电气传动的核心为电动机及其配套调速、控制、保护、监控等电气系统。在同一工业生产现场中为满足生产需求和设备投资经济性要求，往往会使用多种电气传动设备，且对各种电气传动设备的具体性能要求各不相同。典型情况是同一生产现场中，一部分电动机不需要调速，只要定速运行即可；另一部分电动机需要调速运行。

如果在正常运行或交流电动机直接起动时不采取相应的措施，设备消耗无功功率，会造成电动机所连接的配电母线电压产生较大电压偏差，直接影响接于该配电母线上的其他用电设备的正常运行，还可能触发过、欠压保护动作，造成设备的有害跳闸；同时过大的起动冲击电流会使电动机绕组发热，从而加速绝缘老化，影响电动机寿命。为了应对配电母线的电压偏差问题，一方面对正常运行和电动机起动过程中造成的配电母线电压偏差水平进行限制；另一方面采取改善措施，降低电动机的起动造成的冲击，以满足母线电压偏差水平的限制要求。

现行的国家标准对交流电动机起动时母线电压的偏差水平进行了明确限制：母线上接有照明或其他对电压波动敏感的负荷，电动机频繁启动时不宜低于额定电压的90％；电动机不频繁起动时不宜低于额定电压的85％。母线上未接照明或其他对电压波动较敏感的负荷，不应低于额定电压的80％。母线电压上未接其他用电设备时，可按保证电动机起动转矩的条件决定；对于低压电动机，尚应保证接触器线圈的电压不低于释放电压。

在工业生产现场实际应用中，尽管全压直接起动方式最为简单、设备投资最少，但往往无法满足配电母线电压偏差水平的限制要求而无法广泛使用。除全压直接起动方式外，还有降压起动方式和变频起动方式，但均需添加额外设备或增加电动机本身复杂性。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明提出了一种用于改善配电母线电压偏差的系统及其方法，系统采用了高度模块化的系统框架，将各种电压等级、各种功率容量的四象限变频器及配套电动机和需要直接起动的各种电压等级、各种功率容量的交流电动机灵活接入系统，通过主控制单元、多个配电母线协调控制单元、变频器协调控制单元、直接起动电动机控制单元、配电母线信号采集单元的协调控制实现设备间的协调配合，改善正常运行和交流电动机直接起动过程中配电母线电压偏差。

本申请的具体实现方案如下：

一种用于改善配电母线电压偏差的控制系统，所述控制系统包括系统主控制单元层、母线协调控制单元层和设备协调控制单元层；其特征在于：

所述设备协调控制单元层采集连接在对应配电母线上的电动机或四象限变频器的设备运行参数以及该配电母线信号，并通过母线协调控制单元层将所述设备运行参数以及配电母线信号上传至主控制单元层；

所述主控制单元层通过母线协调控制单元层向设备协调控制单元层下发对应配电母线上的电动机或四象限变频器的控制信号以实现对配电母线电压偏差的校正。

本发明进一步包括以下优选方案：

所述系统主控制单元层包括系统主控制单元和人机界面，所述系统主控制单元通过人机界面录入接入在各条配电母线的四象限变频器、电动机的负荷等级和调速特性；

所述母线协调控制单元层包括多个配电母线协调控制单元，每一配电母线设置一个配电母线协调控制单元；

所述设备协调控制单元层包括对应于每一配电母线的配电母线信号采集单元、变频器协调控制单元和多个直接起动电动机控制单元；

其中，每一配电母线协调控制单元通过信号接口分别与系统主控制单元、对应该配电母线的配电母线信号采集单元、变频器协调控制单元和多个直接起动电动机控制单元相连。

不同电压等级的配电母线通过变压器和配套开关相互连接；

进行调速控制的电动机，经过四象限变频器及配套开关连接到对应配电母线上；

直接起动的电动机，经过配套开关直接连接到对应配电母线上。

接入各条配电母线的四象限变频器通过与四象限变频器协调控制单元接口，将所述变频器实际运行参数上传到对应配电母线协调控制单元；

每一配电母线信号采集单元将采集的配电母线信号上传至对应的配电母线协调控制单元；

对应每一配电母线的直接起动电动机控制单元将接入到该配电母线上的电动机的运行参数上传至对应的配电母线协调控制单元；

所述配电母线控制单元将接收的变频器实际运行参数、配电母线信号、接入到该配电母线上的电动机的运行参数上传至系统主控制单元；

所述系统主控制单元实时计算每一配电母线上的无功补偿容量，折算出补偿后配电母线电压偏差，作为是否可以维持配电母线继续正常运行或直接起动电动机的判别依据。

当配电母线电压上未接除了四象限变频器以及电动机以外的其他用电设备时，系统主控制单元在配电母线在能够保证电动机起动转矩的情况下即可通过配电母线协调控制单元向直接起动电动机控制单元下发电机起动控制信号；

配电母线上除了四象限变频器以及电动机以外接有对电压波动敏感的负荷设备时，系统主控制单元在配电母线电压不低于所述负荷对应的敏感电压的情况下即可向直接起动电动机控制单元下发电机起动控制信号；

其中，负荷对电压波动敏感是指在电压波动时，当电压低于对应的敏感电压时会造成保护停机。

当同一配电母线上四象限变频器当前可用于无功补偿的容量能够满足该配电母线电压偏差要求，所述控制系统向直接起动电动机控制单元发出控制信号正常运行或起动直接起动电动机，由同一配电母线上变频器组发出动态无功电流，对直接起动电动机消耗的无功电流进行动态跟随补偿，控制该配电母线电压偏差；

当同一配电母线上四象限变频器当前可用于无功补偿的容量不能满足配电母线电压偏差要求，根据通过所述人机界面预先输入的各四象限变频器及配套电动机所带的负荷等级和调速特性要求，所述系统主控制单元发出控制系统将部分或全部变频器短时减载或停止输出并将短时减载或停止输出的变频器容量也用于对配电母线的无功补偿，达到能够保证该配电母线电压偏差要求的无功补偿容量后，开始电动机直接起动控制。

当同一电压配电母线上的四象限变频器即使短时减载或停止输出也不能满足配电母线电压偏差要求时，所述系统主控制单元协调其它电压配电母线上的四象限变频器和当前电压配电母线上的四象限变频器共同进行无功补偿，对接入当前电压配电母线上的直接起动电动机的消耗的无功电流进行动态跟随补偿，控制当前电压配电母线电压偏差。

直接起动电动机控制单元根据实际需要为对应直接起动电动机配置电流速断保护、纵联差动保护、过负荷保护、单相接地保护、低电压保护，其中，保护配置选择及参数设定通过人机界面录入。

本申请还公开了一种用于改善配电母线电压偏差的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：检测连接在各配电母线上的变频器实际工作状态、运行参数；

步骤2：判断接入同一配电母线上的变频器组的无功补偿容量是否能够满足在该配电母线上起动电动机时的电压偏差要求；

步骤3：若步骤2的判别结果是同一配电母线上的变频器组的无功补偿容量可以满足电压偏差要求，则正常运行或起动直接起动电动机，由同一母线上变频器组发出动态无功电流，对直接起动电动机消耗的无功电流进行动态跟随补偿，控制配电母线电压偏差；

步骤4：若步骤2的判别结果是同一配电母线上的变频器组的无功补偿容量不能够满足电压偏差要求，则进一步判断将同一母线上的部分或全部变频器短时减载或停止输出，并将短时减载或停止输出的变频器容量也用于对配电母线的无功补偿容量后，是否能够满足配电母线电压偏差要求，若可以进入步骤5，否则进入步骤6；

步骤5：控制部分或全部变频器短时减载或停止输出，将短时减载或停止输出的变频器容量也用于对配电母线的无功补偿容量，在无功补偿容量满足配电母线电压偏差要求后，再起动直接起动电动机，由同一母线上变频器组发出动态无功电流，对直接起动电动机消耗的无功电流进行动态跟随补偿，控制配电母线电压偏差；在电动机起动之后，恢复变频器工作状态；

步骤6：进一步判别通过变压器和配套开关与当前配电母线相连的其它电压等级的配电母线上的四象限变频器和当前配电母线上的四象限变频器共同进行无功补偿是否满足配电母线电压要求，如果可以进入步骤7，否则进入步骤8；

步骤7：由当前配电母线上的四象限变频器以及与该配电母线相连的其它电压等级配电母线的四象限变频器一起发出动态无功电流，对直接起动电动机的消耗的无功电流进行动态跟随补偿，降低配当前电母线的电压偏差；

步骤8：进一步判别将当前配电母线上的四象限变频器以及与该配电母线相连的其它电压等级配电母线的四象限变频器中的部分或全部变频器短时减载或停止输出，并将这些变频器容量也用于对当前配电母线的无功补偿容量后，是否能够满足当前配电母线电压偏差要求，如果可以进入步骤9，否则进入步骤10；

步骤9：协调当前配电母线以及与该配电母线相连的其它电压等级配电母线上的部分或全部变频器短时减载或停止输出，将这些变频器容量也用于对配电母线的无功补偿容量，在无功补偿容量满足配电母线电压偏差要求后，再开始当前配电母线上电动机直接起动控制；在电动机起动之后，恢复变频器工作状态；

步骤10：停止当前配电母线上电动机的正常运行、并禁止起动直接起动电动机。

本申请具有以下有益的技术效果：

(1)无需添加额外的一次设备即可，通过控制系统对已有设备间的协同控制，即可实现对配电母线电压偏差的改善。

(2)系统功能完善，可与继保保护作为一体机使用，保护功能和配电母线电压偏差矫正功能可以同时使用，兼容性好；也可对功能单独进行屏蔽。

(3)系统操作简便，通过人机交互界面即可实现该系统的智能化信息管理和信息显示。

(4)系统的实时收集变频器及配电母线上其他设备参数信息，实时性好；变频器的无功补偿只在接到控制系统指令后进行，其他时间变频器处于常规运行状态，不改变变频器在常规状态下的控制策略。

附图说明

图1为现有技术中具有多条配电母线的配电系统电气结构图；；

图2为本申请公开的用于改善配电母线电压偏差的控制系统结构示意图；

图3接入一种用于改善配电母线电压偏差的系统的低压四象限变频器拓扑示意图；

图4高压四象限变频器功率模块拓扑示意图；

图5接入一种用于改善配电母线电压偏差的系统的高压四象限变频器拓扑示意图；

图6为本申请公开的改善配电母线电压偏差的方法的流程示意图；

图7为本申请用于改善配电母线电压偏差的系统等效及参数名称标注图；

图8为本申请用于改善配电母线电压偏差的系统实现正偏差校正原理矢量图；

图9为本申请用于改善配电母线电压偏差的系统实现负偏差校正原理矢量图。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明进一步详细描述。

实施例的一种用于改善配电母线电压偏差的系统及其方法实施目的为将各种电压等级、各种功率容量的四象限变频器及配套电动机和需要直接起动的各种电压等级、各种功率容量的交流电动机灵活接入系统，通过主控制单元、多个配电母线协调控制单元、变频器协调控制单元、直接起动电动机控制单元、配电母线信号采集单元的协调控制实现设备间的协调配合，改善正常运行和交流电动机起动过程中配电母线电压偏差。

如图1所示，为现有技术中具有多条母线的配电系统电气结构示意图；

不同电压等级的配电母线通过变压器和配套开关相互连接。额定电压与配电母线电压等级相同、需要进行调速控制的电动机，经过四象限变频器及配套开关连接到对应配电母线上；额定电压与配电母线电压等级相同、直接起动的电动机，经过配套开关直接连接到对应配电母线上。在配电母线上设有电流互感器、电压互感器；直接起动电动机的机端设有电流互感器、电压互感器。如图2所示为本申请公开的用于改善配电母线电压偏差的控制系统结构示意图。所述系统主控制单元层包括系统主控制单元和人机界面，所述系统主控制单元通过人机界面录入接入在各条配电母线的四象限变频器、电动机的负荷等级和调速特性；所述母线协调控制单元层包括多个配电母线协调控制单元，每一配电母线设置一个配电母线协调控制单元；所述设备协调控制单元层包括对应于每一配电母线的配电母线信号采集单元、变频器协调控制单元和多个直接起动电动机控制单元；其中，每一配电母线协调控制单元通过信号接口分别与系统主控制单元、对应该配电母线的配电母线信号采集单元、变频器协调控制单元和多个直接起动电动机控制单元相连。

系统主控制单元层设有系统主控制单元，负责与配电母线协调控制单元、人机交互界面、以及该系统外部之间的信号沟通和控制协调。母线协调控制层为每条配电母线均设置各自的配电母线协调控制单元，每个配电母线协调控制单元与系统主控制单元、变频器协调控制单元、直接起动电动机控制单元、所在母线配电母线信号采集单元、其他配电母线协调控制单元之间设有信号接口。设备协调控制单元层设有变频器协调控制单元、直接起动电动机控制单元、配电母线信号采集单元，变频器协调控制单元为连接在该母线上的每台变频器设有相应信号接口，每个直接起动电动机控制单元为一台直接起动电动机设有信号接口。

接入各条配电母线的四象限变频器通过与变频器协调控制单元接口，能够将变频器实际工作状态、实时负荷情况信息上传到主控制单元、多个配电母线协调控制单元、变频器协调控制单元、直接起动电动机控制单元、配电母线信号采集单元；在能够保证实时负荷稳定情况下，直接执行变频器协调控制单元发来的无功电流发生指令；在负荷等级和调速特性允许情况下，执行变频器协调控制单元发来的短时减负荷并加大无功电流指令。

直接起动电动机控制单元可根据实际需要为对应直接起动电动机配置电流速断保护、纵联差动保护、过负荷保护、单相接地保护、低电压保护，保护配置选择及参数设定在系统主控制单元层的人机界面录入。

根据事先设定的控制策略，即可进行配电母线电压的正偏差的校正，也可进行配电母线电压负偏差的校正；正偏差校正和负偏差校正功能可分别使能或禁止。

控制系统运行前，在系统主控制单元层的人机界面录入接入各条配电母线的四象限变频器及配套电动机、直接电动机的负荷等级和调速特性；正常运行或电动机直接起动前，实时收集各四象限变频器的运行状态、实时计算可利用的无功补偿容量，折算出补偿后配电母线电压偏差，作为是否可以维持配电母线继续正常运行或直接起动电动机的判别依据。

Ⅰ、当配电母线电压上未接除了四象限变频器以及电动机以外的其他用电设备时，保证电动机起动转矩时，系统主控制单元即可通过配电母线协调控制单元向直接起动电动机控制单元下发电机起动控制信号；

Ⅱ、配电母线上接有除了四象限变频器以及电动机以外的其他用电设备，但未接照明或其他在电压波动达到额定电压的80％及以下保护停机的负荷，不低于额定电压的80％即可起动；

Ⅲ、配电母线上接有在电压波动达到额定电压的85％及以下保护停机的负荷，连续工作制和短时工作制的电动机起动时不低于额定电压的85％即可起动；

Ⅳ、配电母线上接有照明或在电压波动达到额定电压的90％及以下保护停机的负荷，断续工作制电动机启动时不低于额定电压的90％即可起动。

主控制单元、多个配电母线协调控制单元、变频器协调控制单元、直接起动电动机控制单元、配电母线信号采集单元的控制策略优先协调控制同一配电母线上的设备；同一母线上变频器组可用于无功补偿的容量能够满足配电母线电压偏差要求，则正常运行或起动直接起动电动机，系统自动运行；同一母线上变频器组可用于无功补偿的容量不能满足配电母线电压偏差要求，根据预先输入的各四象限变频器及配套电动机所带的负荷等级和调速特性要求，协调部分变频器短时减载或停止输出，达到能够保证配电母线电压偏差要求的无功补偿容量后，再开始电动机直接起动控制，系统自动运行。

当同一电压配电母线上的四象限变频器无法提供足够正常运行或电动机直接起动时的无功功率需求、无法保持配电母线电压水平时，采用其他电压配电母线上和当前电压配电母线上的四象限变频器共同进行无功补偿协调控制。

同一配电母线上设备的协调控制功能由该配电母线的配电母线协调控制单元负责；不同配电母线上设备的协调控制功能，需要先由系统协调主控制单元发出使能信号给各个配电母线协调控制单元，再由各个配电母线协调控制单元共同协调完成。

同一配电母线设备协调功能、跨配电母线设备协调功能、直接起动电动机的保护功能可分别使能或终止。

具体如图3所示，为接入配电的低压四象限变频器拓扑示意图；低压四象限变频器包括低压变频主控制单元层、低压变频基本控制单元层和低压变频主电路。

低压变频主控制单元层设有低压变频主控制单元，负责与变频器协调控制单元、低压变频输入侧基本控制单元、低压变频输出侧基本控制单元、以及低压变频器外部之间的信号沟通和控制协调。

低压变频基本控制单元层设有低压变频输入侧基本控制单元和低压变频输出侧基本控制单元，负责变频器的基本功能实现。

低压变频主电路包括软启动开关组K11、整流电路单元IGBT11、逆变电路单元IGBT12；所述软启动开关组K11一端作为输入连接配电母线，另一端连接整流电路单元IGBT11的交流端；IGBT11的直流端与IGBT21的直流端连接；IGBT21的交流端作为输出与电动机连接。在K11与IGBT11连接处设置电流电压采样传感器CPT11,在IGBT11与IGBT21直流连接处设置电流电压采样传感器CPT12，在IGBT21输出交流侧设置电流电压采样传感器CPT13。整流电路单元IGBT11、逆变电路单元IGBT12中集成了绝缘栅双极型晶体管IGBT或金属氧化层半导体场效晶体管MOSFET、配套适配电路、驱动信号处理电路、自身保护电路等，作为独立的功能电路单元。

低压四象限变频器通过与变频器协调控制单元专用接口，将低压变频器实际工作状态、实时负荷情况信息上传到主控制单元、多个配电母线协调控制单元、变频器协调控制单元、直接起动电动机控制单元、配电母线信号采集单元；在能够保证实时负荷稳定情况下，直接执行变频器协调控制单元发来的无功电流发生指令；在负荷等级和调速特性允许情况下，执行变频器协调控制单元发来的短时减负荷并加大无功电流指令。

具体如图4所示，为高压四象限变频器功率模块拓扑示意图；高压四象限变频器功率模块包括模块控制单元层、模块主电路。

模块控制单元层设有整流模块控制单元和逆变模块控制单元，接收高压四象限变频器中分相控制单元发来的驱动信号指令，完成功率半导体器件的驱动，并将功率模块的状态参数反馈给上级分相控制单元，实现功率模块的整流和逆变基本功能。

模块主电路包括整流电路单元IGBT21、逆变电路单元IGBT22；所述整流电路单元IGBT21交流端作为模块输入端，直流端与IGBT21直流端连接；IGBT22的交流端作为模块的输出端。在IGBT21与IGBT22连接的直流连接处设置电流电压采样传感器CPT21。整流电路单元IGBT21、逆变电路单元IGBT22中集成了绝缘栅双极型晶体管IGBT或金属氧化层半导体场效晶体管MOSFET、配套适配电路、驱动信号处理电路、自身保护电路等，作为独立的功能电路单元。

具体如图5所示，为接入系统的高压四象限变频器拓扑示意图；高压四象限变频器包括高压变频主控制单元层、高压变频基本控制单元层、高压变频分相控制单元层和高压变频主电路。

高压变频主控制单元层设有高压变频主控制单元，负责与变频器协调控制单元、高压变频输入侧基本控制单元、高压变频输出侧基本控制单元、以及高压变频器外部之间的信号沟通和控制协调。

高压变频基本控制单元层设有高压变频输入侧基本控制单元和高压变频输出侧基本控制单元，负责变频器的基本功能实现。

高压变频分相控制单元层设有分相控制单元，负责与高压变频基本控制单元层中的控制单元进行信号沟通和控制协调，并实现所控制相中所有串联功率模块的驱动信号下发和状态参数反馈收集。

高压变频主电路包括配电母线侧开关K31、变压器侧开关K32、移相变压器T31、A相功率模块组A31、B相功率模块组B31、C相功率模块组C31、输出侧开关K33。配电母线侧开关K31一端作为变频器输入，与配电母线连接，另一端与变压器侧开关K32连接；K32的另一端与移相变压器T1的一次绕组连接；移相变压器T1的每一个二次侧绕组按照次序连接功率模块组A31、B31、C31中的一个功率模块的交流输入端；功率模块组A31、B31、C31中的多个功率模块的输出端依次串联后，三相功率模块组的尾端直接连接,构成星型连接结构，三相功率模块组另一端与输出侧开关K33连接，K33的另一端作为变频器的输出，用于连接电动机。在K31与K32连接处设置电流电压采样传感器CPT31,在K32与T31连接处设置电流电压采样传感器CPT32，在A31、B31、C31与K33连接处设置电流电压采样传感器CPT33，在K33的变频器输出端侧设置电流电压采样传感器CPT34。在K31与K32连接处引出动力线路用于连接旁路开关，在K33与变频器输出端之间引出动力线路用于连接旁路开关。

高压四象限变频器通过与变频器协调控制单元专用接口，将高压变频器实际工作状态、实时负荷情况信息上传到主控制单元、多个配电母线协调控制单元、变频器协调控制单元、直接起动电动机控制单元、配电母线信号采集单元；在能够保证实时负荷稳定情况下，直接执行变频器协调控制单元发来的无功电流发生指令；在负荷等级和调速特性允许情况下，执行变频器协调控制单元发来的短时减负荷并加大无功电流指令。

具体如图6所示，改善配电母线电压偏差的方法的流程示意图；步骤如下：

步骤1：检测连接在各配电母线上的变频器实际工作状态、运行参数；初步判别并计算变频器组能够提供的无功总量；

步骤2：判断同一配电母线上当前运行的变频器组的无功补偿容量是否能够满足在该配电母线上起动电动机时的电压偏差要求；若可以满足进入步骤3，否则进入步骤4；

步骤3：若步骤2的判别结果是当前运行的变频器组的无功补偿容量可以满足电压偏差要求，则正常运行或起动直接起动电动机，由同一母线上变频器组发出动态无功电流，对直接起动电动机消耗的无功电流进行动态跟随补偿，控制配电母线电压偏差；

步骤4：若步骤2的判别结果是当前运行的变频器组的无功补偿容量不能够满足电压偏差要求，则进一步判断将同一母线上的部分变频器短时减载或停止输出，并将短时减载或停止输出的变频器容量也用于对配电母线的无功补偿容量后，是否能够满足配电母线电压偏差要求，若可以进入步骤5，否则进入步骤6；

步骤5：控制部分变频器短时减载或停止输出，将短时减载或停止输出的变频器容量也用于对配电母线的无功补偿容量，在无功补偿容量满足配电母线电压偏差要求后，再起动直接起动电动机，由同一母线上变频器组发出动态无功电流，对直接起动电动机消耗的无功电流进行动态跟随补偿，控制配电母线电压偏差；在电动机起动之后，恢复变频器工作状态；

步骤6：进一步判别通过变压器和配套开关与当前配电母线相连的其它电压等级的配电母线上的四象限变频器和当前配电母线上的四象限变频器共同进行无功补偿是否满足配电母线电压要求，如果可以进入步骤7，否则进入步骤8；

步骤7：由当前配电母线上的四象限变频器以及与该配电母线相连的其它电压等级配电母线的四象限变频器一起发出动态无功电流，对直接起动电动机的消耗的无功电流进行动态跟随补偿，降低配当前电母线的电压偏差；

步骤8：进一步判别将当前配电母线上的四象限变频器以及与该配电母线相连的其它电压等级配电母线的四象限变频器中的部分或全部变频器短时减载或停止输出，并将这些变频器容量也用于对当前配电母线的无功补偿容量后，是否能够满足当前配电母线电压偏差要求，如果可以进入步骤9，否则进入步骤10；

步骤9：协调当前配电母线以及与该配电母线相连的其它电压等级配电母线上的部分或全部变频器短时减载或停止输出，将这些变频器容量也用于对配电母线的无功补偿容量，在无功补偿容量满足配电母线电压偏差要求后，再开始当前配电母线上电动机直接起动控制；在电动机起动之后，恢复变频器工作状态；

步骤10：停止当前配电母线上电动机的正常运行、并禁止起动直接起动电动机。

具体如图7为系统等效及参数名称标注图，图8为系统实现正偏差校正原理矢量图，图9为系统实现负偏差校正原理矢量图。

如图7所示，系统由无限大容量电网供电，电网标称电压为Ug,经过折算等效为U；从无限远处到配电母线的等效阻抗为X；系统不同运行状态下，由无限大容量电网流入配电母线的电流分别为I1和I2，对应不同的配电母线电压为UL1和UL2；配电母线流入变频器组的电流为I3。

如图8和图9所示，系统实现正偏差和负偏差校正原理矢量图中，无限大容量电网折算等效电压U为恒定值；UN为配电母线标称电压；I0为流入配电母线、与电网电压U同相位的有功电流等效值，包含变频器组、直接起动电动机、配电母线上其他负荷的有功电流；UX0、UX1、UX2分别对应流入配电母线电流为I0、I1、I2时，等效阻抗X上的压降；当流入配电母线的电流为I0时，配电母线电压为UL0。配电母线上有功负荷总量不变，则有功电流I0值保持不变,变频器组有功电流I3x已包含在I0之中。

当主控制单元、多个配电母线协调控制单元、变频器协调控制单元、直接起动电动机控制单元、配电母线信号采集单元不工作、变频器组不对配电母线进行无功补偿情况下，正常运行或电动机直接起动过程中流入配电母线的电流为I1，可分解为I0和I1y两个分量；I0为有功电流分量保持不变，I1y为无功电流分量；配电母线电压为UL1。

当主控制单元、多个配电母线协调控制单元、变频器协调控制单元、直接起动电动机控制单元、配电母线信号采集单元工作、变频器组对配电母线进行无功补偿情况下，正常运行或电动机直接起动过程中，四象限变频器调整工作状态对配电母线进行无功补偿，抵消部分由设备正常运行或电动机直接起动产生的无功电流；此时的变频器组的电流为I3，I3可分解为I3x和I3y两个分量，I3x为有功电流分量保持不变(已包含在I0中)，无功补偿电流分量为I3y；经补偿后，流入配电母线的电流由I1变为I2，I2可分解为I0和I2y两个分量，I0保持不变，I2y为经过补偿后的无功电流分量；配电母线电压由UL1变为UL2，配电母线电压偏差校正值为ΔUL。

Claims (8)

1.一种用于改善配电母线电压偏差的控制系统，所述控制系统包括系统主控制单元层、母线协调控制单元层和设备协调控制单元层；其特征在于：

所述设备协调控制单元层采集连接在对应配电母线上的电动机或四象限变频器的设备运行参数以及该配电母线信号，并通过母线协调控制单元层将所述设备运行参数以及配电母线信号上传至主控制单元层；

所述主控制单元层通过母线协调控制单元层向设备协调控制单元层下发对应配电母线上的电动机或四象限变频器的控制信号以实现对配电母线电压偏差的校正；

所述系统主控制单元层包括系统主控制单元和人机界面，所述系统主控制单元通过人机界面录入接入在各条配电母线的四象限变频器、电动机的负荷等级和调速特性；

所述母线协调控制单元层包括多个配电母线协调控制单元，每一配电母线设置一个配电母线协调控制单元；

所述设备协调控制单元层包括对应于每一配电母线的配电母线信号采集单元、变频器协调控制单元和多个直接起动电动机控制单元；

其中，每一配电母线协调控制单元通过信号接口分别与系统主控制单元、对应该配电母线的配电母线信号采集单元、变频器协调控制单元和多个直接起动电动机控制单元相连。

2.根据权利要求1所述的用于改善配电母线电压偏差的控制系统，其特征在于：

不同电压等级的配电母线通过变压器和配套开关相互连接；

进行调速控制的电动机，经过四象限变频器及配套开关连接到对应配电母线上；

直接起动的电动机，经过配套开关直接连接到对应配电母线上。

3.根据权利要求1或2所述的用于改善配电母线电压偏差的控制系统，其特征在于：

接入各条配电母线的四象限变频器通过与四象限变频器协调控制单元接口，将所述变频器实际运行参数上传到对应配电母线协调控制单元；

每一配电母线信号采集单元将采集的配电母线信号上传至对应的配电母线协调控制单元；

对应每一配电母线的直接起动电动机控制单元将接入到该配电母线上的电动机的运行参数上传至对应的配电母线协调控制单元；

所述配电母线控制单元将接收的变频器实际运行参数、配电母线信号、接入到该配电母线上的电动机的运行参数上传至系统主控制单元；

所述系统主控制单元实时计算每一配电母线上的无功补偿容量，折算出补偿后配电母线电压偏差，作为是否可以维持配电母线继续正常运行或直接起动电动机的判别依据。

4.根据权利要求3所述的用于改善配电母线电压偏差的控制系统，其特征在于：

当配电母线电压上未接除了四象限变频器以及电动机以外的其他用电设备时，系统主控制单元在配电母线在能够保证电动机起动转矩的情况下即可通过配电母线协调控制单元向直接起动电动机控制单元下发电机起动控制信号；

配电母线上除了四象限变频器以及电动机以外接有对电压波动敏感的负荷设备时，系统主控制单元在配电母线电压不低于负荷所对应的敏感电压的情况下即可向直接起动电动机控制单元下发电机起动控制信号；

其中，负荷对电压波动敏感是指在电压波动时，当电压低于所对应的敏感电压时会造成保护停机。

5.根据权利要求3所述的用于改善配电母线电压偏差的控制系统，其特征在于：

当同一配电母线上四象限变频器当前可用于无功补偿的容量能够满足该配电母线电压偏差要求，所述控制系统向直接起动电动机控制单元发出控制信号正常运行或起动直接起动电动机，由同一配电母线上变频器组发出动态无功电流，对直接起动电动机消耗的无功电流进行动态跟随补偿，控制该配电母线电压偏差；

当同一配电母线上四象限变频器当前可用于无功补偿的容量不能满足配电母线电压偏差要求，根据通过所述人机界面预先输入的各四象限变频器及配套电动机所带的负荷等级和调速特性要求，所述系统主控制单元发出控制系统将部分或全部变频器短时减载或停止输出并将短时减载或停止输出的变频器容量也用于对配电母线的无功补偿，达到能够保证该配电母线电压偏差要求的无功补偿容量后，开始电动机直接起动控制。

6.根据权利要求1所述的用于改善配电母线电压偏差的控制系统，其特征在于：

当同一电压配电母线上的四象限变频器即使短时减载或停止输出也不能满足配电母线电压偏差要求时，所述系统主控制单元协调其它电压配电母线上的四象限变频器和当前电压配电母线上的四象限变频器共同进行无功补偿，对接入当前电压配电母线上的直接起动电动机的消耗的无功电流进行动态跟随补偿，控制当前电压配电母线电压偏差。

7.根据权利要求1所述的用于改善配电母线电压偏差的控制系统，其特征在于：

直接起动电动机控制单元根据实际需要为对应直接起动电动机配置电流速断保护、纵联差动保护、过负荷保护、单相接地保护、低电压保护，其中，保护配置选择及参数设定通过人机界面录入。

8.一种用于改善配电母线电压偏差的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：检测连接在各配电母线上的变频器实际工作状态、运行参数；

步骤2：判断接入同一配电母线上的变频器组的无功补偿容量是否能够满足在该配电母线上起动电动机时的电压偏差要求；

步骤3：若步骤2的判别结果是同一配电母线上的变频器组的无功补偿容量可以满足电压偏差要求，则正常运行或起动直接起动电动机，由同一母线上变频器组发出动态无功电流，对直接起动电动机消耗的无功电流进行动态跟随补偿，控制配电母线电压偏差；

步骤4：若步骤2的判别结果是同一配电母线上的变频器组的无功补偿容量不能够满足电压偏差要求，则进一步判断将同一母线上的部分或全部变频器短时减载或停止输出，并将短时减载或停止输出的变频器容量也用于对配电母线的无功补偿容量后，是否能够满足配电母线电压偏差要求，若可以进入步骤5，否则进入步骤6；

步骤5：控制部分或全部变频器短时减载或停止输出，将短时减载或停止输出的变频器容量也用于对配电母线的无功补偿容量，在无功补偿容量满足配电母线电压偏差要求后，再起动直接起动电动机，由同一母线上变频器组发出动态无功电流，对直接起动电动机消耗的无功电流进行动态跟随补偿，控制配电母线电压偏差；在电动机起动之后，恢复变频器工作状态；

步骤6：进一步判别通过变压器和配套开关与当前配电母线相连的其它电压等级的配电母线上的四象限变频器和当前配电母线上的四象限变频器共同进行无功补偿是否满足配电母线电压要求，如果可以进入步骤7，否则进入步骤8；

步骤7：由当前配电母线上的四象限变频器以及与该配电母线相连的其它电压等级配电母线的四象限变频器一起发出动态无功电流，对直接起动电动机的消耗的无功电流进行动态跟随补偿，降低配当前电母线的电压偏差；

步骤8：进一步判别将当前配电母线上的四象限变频器以及与该配电母线相连的其它电压等级配电母线的四象限变频器中的部分或全部变频器短时减载或停止输出，并将这些变频器容量也用于对当前配电母线的无功补偿容量后，是否能够满足当前配电母线电压偏差要求，如果可以进入步骤9，否则进入步骤10；

步骤9：协调当前配电母线以及与该配电母线相连的其它电压等级配电母线上的部分或全部变频器短时减载或停止输出，将这些变频器容量也用于对配电母线的无功补偿容量，在无功补偿容量满足配电母线电压偏差要求后，再开始当前配电母线上电动机直接起动控制；在电动机起动之后，恢复变频器工作状态；

步骤10：停止当前配电母线上电动机的正常运行、并禁止起动直接起动电动机。