戚雙斌，馮衛(wèi)永，楊哲

（中圖人民解放軍91404部隊(duì)，河北秦皇島 066000）

艦船電力系統(tǒng)電能質(zhì)量測試分析

戚雙斌，馮衛(wèi)永，楊哲

（中圖人民解放軍91404部隊(duì)，河北秦皇島 066000）

針對目前尚未形成一套完整的艦船電能質(zhì)量測試鑒定方案。對艦船的電源、輸配電及負(fù)載進(jìn)行了電能質(zhì)量指標(biāo)分析研究，結(jié)合某型艦船的定型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了實(shí)船的電能質(zhì)量測試系統(tǒng)方案，對部分指標(biāo)測試進(jìn)行了實(shí)例分析，形成了由測試指標(biāo)、測試選點(diǎn)、儀表選擇、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果評估組成的一套完整的實(shí)船電能質(zhì)量測試方案，為后續(xù)新型艦船的設(shè)計(jì)鑒定工作提供了重要的實(shí)踐和理論支撐。

船電力系統(tǒng)；電能質(zhì)量；指標(biāo)測量

艦船電力系統(tǒng)是一個容量較小的獨(dú)立系統(tǒng)。因艦船使命任務(wù)的特殊性，使其電能質(zhì)量存在以下不足：沖擊性負(fù)載的大量使用引起的獨(dú)立電網(wǎng)短時(shí)電壓波動；導(dǎo)航等設(shè)備的非線性負(fù)載引起的電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波；大功率負(fù)載劇烈頻繁變動引起的電網(wǎng)動態(tài)沖擊等，使得船舶電力系統(tǒng)與陸用大電網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)要求和測試方法有很大差別[1]。

目前國內(nèi)外有大量對電能質(zhì)量的研究文獻(xiàn)，研究方向較多，主要有以下3個方面：一是應(yīng)用數(shù)字信號處理技術(shù)，用諧波、簡諧波的檢測算法測量電能質(zhì)量，引入電力電子器件，提高電能質(zhì)量方面的研究[2-7]；二是有面向服務(wù)器的瀏覽器/服務(wù)器（B/S）模式的主動電網(wǎng)電能電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，或者在微電網(wǎng)中通過以太網(wǎng)對系統(tǒng)中電流實(shí)時(shí)監(jiān)測的研究，觀測潮流變化對電能質(zhì)量水平的影響[8-11]；三是通過搭建模擬電力系統(tǒng)環(huán)境的實(shí)時(shí)仿真平臺，對電能質(zhì)量設(shè)備進(jìn)行考核，或者利用概率統(tǒng)計(jì)和模糊數(shù)學(xué)結(jié)合的分析方法對一新能源電廠的綜合電能質(zhì)量評估[12-15]。然而，對獨(dú)立的小電力系統(tǒng)用戶而言，尚缺乏一套完整的、系統(tǒng)的電能質(zhì)量指標(biāo)測試方案。對于新型艦船，在建造完成交付用戶使用前，必須對其電力系統(tǒng)進(jìn)行鑒定試驗(yàn)。相比電能質(zhì)量達(dá)標(biāo)的設(shè)計(jì)方法，用戶更關(guān)心的是艦船電能質(zhì)量的達(dá)標(biāo)結(jié)果，即電力系統(tǒng)能保證艦船在各種工況下的用電需求，就是可靠的供電系統(tǒng)。目前急需研究設(shè)計(jì)一套完整系統(tǒng)的新型艦船電能質(zhì)量測試方案，因此，本文結(jié)合某型艦船的設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)，對艦船電力系統(tǒng)的指標(biāo)要求、選擇及測試方法進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，為后續(xù)新型艦船的設(shè)計(jì)鑒定工作提供重要的理論和實(shí)踐支撐。

1 艦船電力系統(tǒng)電能質(zhì)量指標(biāo)分析

艦船用電是一個獨(dú)立的電力系統(tǒng)，由4部分組成：1）發(fā)電部分，又稱電源裝置；2）配電部分，又稱配電裝置；3）輸電部分，又稱電網(wǎng)；4）用電部分，又稱負(fù)載。電力系統(tǒng)小，各個負(fù)載又重要，為保證電能質(zhì)量，必須從發(fā)電到負(fù)載都要提出嚴(yán)格要求[16]。

下面結(jié)合電制為380 V、50 Hz的艦船電力系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1.1 電源部分電能質(zhì)量指標(biāo)分析

電源部分主要由發(fā)電機(jī)組和蓄電池組成。發(fā)電機(jī)組由原動機(jī)拖動，原動機(jī)包括蒸汽機(jī)、汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)。此部分影響電能質(zhì)量的指標(biāo)[17-20]（部分），分析歸納。

額定功率：包括原動機(jī)功率和發(fā)電機(jī)的額定功率，同時(shí)考慮過載等因素。

臨界轉(zhuǎn)速：發(fā)電機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)遠(yuǎn)離其工作范圍，有上下2個限定范圍。

起動性能：設(shè)置具體的起動方式、起動環(huán)境（溫度要求）、啟動次數(shù)（柴油發(fā)電機(jī)組要求3次內(nèi)，汽輪發(fā)電機(jī)組和燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組只允許連續(xù)起動一次）、起動時(shí)間。

調(diào)速性能：穩(wěn)態(tài)調(diào)速率、轉(zhuǎn)速波動率、不靈敏度、非線性度、瞬態(tài)調(diào)速率、穩(wěn)定時(shí)間。

調(diào)壓性能：1）在一定的功率因數(shù)之間，三相平衡電壓從空載到滿載，再從滿載到空載均勻變化時(shí)的穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率；2）機(jī)組運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速和接近額定電壓的空載狀態(tài)下，突加一個功率因數(shù)不超過0.4（滯后）、阻抗標(biāo)么值為2的三相平衡負(fù)載時(shí)的電壓跌落和恢復(fù)并保持在規(guī)定的時(shí)間。

過載性能：柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)具有在額定功率因數(shù)下，12 h內(nèi)承受110%額定功率連續(xù)運(yùn)行1 h的過載能力。

短路處理性能：短路消除和恢復(fù)正常工作的能力。

并聯(lián)運(yùn)行性能：艦船上2臺或多臺發(fā)電機(jī)組長時(shí)間并聯(lián)運(yùn)行，功率分配合理的能力。

電壓波形：包括發(fā)電機(jī)組空載時(shí)線電壓的偏離系數(shù)，從空載至滿載（線性負(fù)載）時(shí)線電壓波形正弦性畸變率和各單次諧波含量。

蓄電池組：包括充放電時(shí)間等。

電源部分的指標(biāo)驗(yàn)證主要考察電源本身性能，一般考察臨界值，使用較大模擬負(fù)載，需要接大容量電纜，實(shí)船自身所帶負(fù)載大多不能達(dá)到指標(biāo)臨界值。為了能準(zhǔn)確地測量，一般在艦船建造的過程中，或系泊航行試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行，保留好試驗(yàn)冊及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)時(shí)，避免對機(jī)組接線大量的拆卸，直接應(yīng)用前面的的驗(yàn)證結(jié)果。

1.2 配電及輸電部分電能質(zhì)量指標(biāo)分析

此部分的電能質(zhì)量重點(diǎn)體現(xiàn)在用電設(shè)備（負(fù)載）的輸入端，把此部抽象為一個界面，“供電—界面—用電”。界面又分為交流界面和直流界面，根據(jù)各艦船電力系統(tǒng)型號的設(shè)計(jì)不同有不同的要求。下面對電能品質(zhì)的界面進(jìn)行歸納分析。

1.2.1 交流電能品質(zhì)

交流電能品質(zhì)主要分為幾個方面：電壓、波形、頻率、供電連續(xù)性、功率因數(shù)以及對用電設(shè)備的要求。

1）電壓

電壓部分共有8個待測指標(biāo)：①用電設(shè)備標(biāo)稱電壓（有效值）；②用電設(shè)備電壓允差，由三相線電壓的平均值允差式（1）表示，用電設(shè)備電壓允差三相線電壓的平均值允差以及線電壓不平衡允差的任一線電壓容差，由式（2）表示；③線電壓不平衡允差；④電壓的周期性變化允差；⑤瞬態(tài)電壓，由瞬態(tài)電壓允差和瞬態(tài)電壓恢復(fù)時(shí)間組成；⑥尖峰電壓（峰值）；⑦瞬態(tài)或故障情況除外時(shí)，由式（1）和電壓的周期性變化允差項(xiàng)組合引起的與用電設(shè)備標(biāo)稱電壓的最大偏離；⑧故障情況除外時(shí)，由式（1）、電壓的周期性變化允差和瞬態(tài)電壓允差項(xiàng)組合引起的與用電設(shè)備標(biāo)稱電壓的最大偏離。

式中：Λ1表示三相線電壓的平均值允差；U平均表示三相電壓平均值；U標(biāo)稱表示標(biāo)稱電壓。

式中：Λ2表示由用電設(shè)備電壓允差三相線電壓的平均值允差以及線電壓不平衡允差的任一線電壓容差；Uab表示AB相電壓。

在電壓的8項(xiàng)指標(biāo)中，試驗(yàn)考核時(shí)重點(diǎn)考核瞬態(tài)的相關(guān)變量指標(biāo)，即瞬態(tài)電壓恢復(fù)時(shí)間和電壓指標(biāo)的第⑧項(xiàng)。

2）波形

波形共有3個待測指標(biāo)：①正弦性畸變率；②最大的單次諧波含量；③偏離系數(shù)，由式（3）表示。

在波形的3項(xiàng)指標(biāo)中，試驗(yàn)鑒定時(shí)重點(diǎn)考核正弦性畸變率和最大的單次諧波含量。

3）頻率

頻率共有5個待測指標(biāo)：①標(biāo)稱頻率；②頻率允差；③頻率的周期性變化允差；④瞬態(tài)頻率，由瞬態(tài)頻率允差和恢復(fù)時(shí)間組成；⑤故障情況除外時(shí)，由頻率允差、頻率的周期性變化允差和瞬態(tài)頻率允差項(xiàng)組合引起的與標(biāo)稱頻率的最大偏離。

在頻率的3項(xiàng)指標(biāo)中，試驗(yàn)鑒定時(shí)重點(diǎn)考核瞬態(tài)指標(biāo)，即恢復(fù)時(shí)間和頻率指標(biāo)的第⑤項(xiàng)。

4）供電連續(xù)性

有限間斷電源的供電范圍應(yīng)根據(jù)艦船的不同使命、不同的電站設(shè)置和配置、重要用電設(shè)備的數(shù)量、容量和排序以及供電轉(zhuǎn)換的延時(shí)許可等來合理確定。重要負(fù)載通過手動轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)兩路或多路供電。

描述供電連續(xù)性的指標(biāo)是“典型的斷電時(shí)間”。

5）功率因數(shù)

對于頻率為50 Hz的艦船電力系統(tǒng)，應(yīng)設(shè)計(jì)在0.7（滯后）至1的功率因數(shù)范圍內(nèi)工作。在此范圍內(nèi)，艦船能夠在各工況下工作。

6）對用電設(shè)備的要求

對用電設(shè)備的要求主要由以下5個方面的指標(biāo)：

①電流不平衡度

式中：Icp為電流平均值；δV電流不平衡度；ΔδI為線電流最大差值。

②浪涌電流

根據(jù)用電設(shè)備的啟動或工作狀態(tài)的頻繁程度來確定，其最大浪涌電流所導(dǎo)致的界面電壓跌落的范圍，一般在（16%-10%），不應(yīng)超過用電設(shè)備額定電壓的16%，越頻繁起動電壓跌落要求越低。

③脈沖負(fù)載限制

電力系統(tǒng)對脈沖負(fù)載的容量要求取決于如下3個因素，發(fā)電機(jī)的額定容量、脈沖負(fù)載的功率因數(shù)以及發(fā)電機(jī)的勵磁方式。采用無刷勵磁或可控相復(fù)勵的發(fā)電的脈沖負(fù)載的額定功率如圖1所示。

④躍變負(fù)載限制

階躍高度不應(yīng)超過對脈動負(fù)載的限制規(guī)定，躍變負(fù)載的平均變化速率應(yīng)限制在2 000 kV·A/s以內(nèi)。

⑤輸入電流波形

圖1 負(fù)載的限制Fig.1 The limit of load

要求用電設(shè)備的工作對電氣系統(tǒng)應(yīng)產(chǎn)生最小的諧波畸變效應(yīng)。

1.2.2 直流電能品質(zhì)

直流電能品質(zhì)參數(shù)界面置于用電設(shè)備或負(fù)載的輸入端。不同型的電力系統(tǒng)要求的指標(biāo)不同。指標(biāo)種類主要有以下幾種：

1）用電設(shè)備標(biāo)稱電壓；

2）用電設(shè)備電壓允差；

3）系統(tǒng)紋波電壓；

4）瞬態(tài)電壓允差和瞬態(tài)電壓恢復(fù)時(shí)間；

5）尖峰電壓；

6）典型斷電時(shí)間（0.5～20 s）；

7）對用電設(shè)備的要求，包括紋波電壓、紋波電流以及起動電流。

2 艦船電力系統(tǒng)電能質(zhì)量測試方法分析

艦船交付部隊(duì)使用前，完成電能質(zhì)量測試。第一步是設(shè)計(jì)試驗(yàn)流程。本課題在試驗(yàn)前設(shè)計(jì)簡易測試流程，如圖2所示。

對已交付艦船電能質(zhì)量測試，主要從選點(diǎn)及所測試指標(biāo)表2個方面考慮。方案的整體設(shè)計(jì)要有實(shí)用性、系統(tǒng)性、全面性、可行性。所選測點(diǎn)首先要能夠測出所要指標(biāo)，在測點(diǎn)處進(jìn)行測試儀表接線時(shí)不至于給艦船帶來破壞，不必要對所有指標(biāo)進(jìn)行全面測量，對要測點(diǎn)盡可能保證多的測量次數(shù)，采集足夠的數(shù)據(jù)。

結(jié)合某型艦船設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)，對交流電能質(zhì)量（部分指標(biāo)）測試設(shè)計(jì)如下方案。

1）試驗(yàn)條件：試驗(yàn)艦分別在系泊和航行2種工況下進(jìn)行測試，發(fā)電機(jī)向全艦用電設(shè)備供電，用電設(shè)備按規(guī)定處于正常狀態(tài)。

圖2 艦船電能質(zhì)量測試流程圖Fig.2 Test flow chart of ship power quality testing

2）所選儀器儀表：DRANETZ電能質(zhì)量分析儀（型號PXS-400）和萬用表

3）試驗(yàn)選點(diǎn)及對應(yīng)指標(biāo)如表1所示。

表1 電能質(zhì)量測試測試選點(diǎn)Tab.1 Power quality test points

4）以測試選點(diǎn)中編號1為例，操作過程如下：

在主配電板負(fù)載屏（用電量最大一屏）輸出端，用DRANETZ電能質(zhì)量分析儀測量三相電壓，讀取穩(wěn)態(tài)電壓及穩(wěn)態(tài)頻率，讀取電壓波形最大單次諧波及正弦畸變率，計(jì)算三相電壓平均值、三相電壓不平衡度，同時(shí)記錄電壓峰值即測尖峰電壓。

在DRANETZ電能質(zhì)量分析儀顯示并存儲如圖3到圖6所示（以AB相為例）。

5）數(shù)據(jù)記錄：在DRANETZ電能質(zhì)量分析儀直接讀取參數(shù)如下。

6）數(shù)據(jù)處理：

需要進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理參數(shù)指標(biāo)：三相電壓平均值、三相電壓不平衡度。

圖3 主配電板負(fù)載屏輸出端AB相電壓有效值Fig.3 Effective voltage on the A B phase of the output terminal of the main switchboard load screen

圖4 主配電板負(fù)載屏輸出端AB相電壓峰值Fig.4 The AB phase voltage peak of the output terminal of the main switchboard load screen

圖5 主配電板負(fù)載屏輸出端AB相電壓波形Fig.5 Waveform of the AB phase voltage of the output terminal of the main switchboard load screen

圖6 主配電板負(fù)載屏輸出端AB相電壓諧波頻譜Fig.6 The AB phase voltage harmonic spectrum of the output terminal of the main switchboard load screen

三相電壓平均值

表2 測試數(shù)據(jù)記錄情況Tab.2 Test data record

三相電壓最大差值

電壓不平衡度

7）結(jié)果分析：上面所測指標(biāo)一部分能直接能從儀器設(shè)備中讀出，一部分需要對記錄數(shù)據(jù)或圖形進(jìn)行計(jì)算處理。所測指標(biāo)與實(shí)船設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行了對比，均在指標(biāo)要求范圍內(nèi)，實(shí)船的指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。在定型試驗(yàn)中得出“此次此項(xiàng)對應(yīng)指標(biāo)方面，艦船合格”的結(jié)論。

3 結(jié)論

1）艦船電能質(zhì)量測試要從電源和輸配電及用電三方面進(jìn)行分析。電源部分在艦船過程中進(jìn)行嚴(yán)格測試，符合指標(biāo)要求方可進(jìn)行下步建設(shè)，否則更換所選設(shè)備。

2）配電及輸電部分是實(shí)船鑒定測試時(shí)重點(diǎn)部分，從電壓、電流、頻率、波形4個方面分析，重點(diǎn)分析瞬態(tài)變化指標(biāo)。

3）實(shí)例分析中形成的從“選點(diǎn)、儀表選擇、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理到結(jié)果評估”的方案，對新型艦船設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)中電能質(zhì)量測試試驗(yàn)具有實(shí)用性。

4）在實(shí)船研究分析中，測試選點(diǎn)比較困難。既要考慮指標(biāo)測點(diǎn)準(zhǔn)確性，又要考慮接線安全，又不能影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行，是后續(xù)試驗(yàn)研究重點(diǎn)考慮的一個方向。

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（編輯 馮露）

Analysis of the Power Quality Test of the Shipboard Electric Power System

QI Shuangbin，F(xiàn)ENG Weiyong，YANG Zhe
（No.91404 Unit of PLA,Qinhuangdao 066000,Hebei,China）

At present,a complete set of power quality testing and appraisal scheme has yet to be formed in the power system for ships.To this end,we studied the power quality indexes of the power source,transmission and distribution and loading on the shipboard,and based on the type testing of a real ship,designed a power quality testing system for the ship.Example analysis was made on part of the index testings,and a complete set of power quality testing scheme for the real ship was formed,including the testing index,testing point selection,instrument selection,data recording,data processing and result evaluation.The research results provide an important practical and theoretical support for the design of subsequent new ships

ship electric power system;power quality;index measurement

1674-3814（2017）06-0036-06

TM614

A

2016-12-06。

戚雙斌（1981—），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)榕灤娏ο到y(tǒng)；

馮衛(wèi)永（1977—），男，高級工程師，主要研究方向?yàn)榇拌b定；

楊 哲（1989—），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)榕灤娏ο到y(tǒng)。

國家部委基金資助項(xiàng)目。

Project Supported by the State Ministries and Commissions of the Central Government.