船舶電力系統(tǒng)電能質(zhì)量研究

1、船舶電力系統(tǒng)電能質(zhì)量研究2008年3月13日摘要：概述了電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的概念和分類，描述了船舶電力系統(tǒng)電能的界面要求，針對(duì)容量小的船舶獨(dú)立電力系統(tǒng)，提出了對(duì)電能品質(zhì)的要求和具體的指標(biāo)。關(guān)鍵詞：船舶；電力系統(tǒng)；電能質(zhì)量0前言隨著電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)電能問題已引起世界各國有關(guān)部門的重視。船舶電力系統(tǒng)是一個(gè)容量較小的獨(dú)立電力系統(tǒng)。理想狀態(tài)下的船舶交流電網(wǎng)應(yīng)以恒定的頻率(如50 Hz或60Hz)、正弦波形和標(biāo)準(zhǔn)電壓對(duì)用戶供電。但由于船舶電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、變壓器和線路等設(shè)備非線性或不對(duì)稱，使用電負(fù)荷的結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，諸如半導(dǎo)體整流器、變頻調(diào)整裝置和家用電器等非線性、沖擊性以及不平衡用

2、電特性負(fù)荷的大量投入使用，以及運(yùn)行操作、調(diào)控手段的不完善、外來干擾和各種故障等原因，因此產(chǎn)生了電網(wǎng)運(yùn)行、電力設(shè)備和供用電環(huán)節(jié)中的許多問題，這些問題都是由電力系統(tǒng)電能質(zhì)量引起的。因此，對(duì)船舶電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1電能質(zhì)量的定義及分類11電能質(zhì)量的定義電能質(zhì)量是指通過電網(wǎng)供給用電設(shè)備或用戶端的交流或直流電能的品質(zhì)。一般認(rèn)為，對(duì)電能質(zhì)量可以定義為：導(dǎo)致用戶電力設(shè)備不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差，造成用電設(shè)備故障或錯(cuò)誤動(dòng)作的任何電力問題都是電能質(zhì)量問題。根據(jù)這一定義，電能質(zhì)量除了保證額定電壓和額定頻率下的正弦波形外，還包括所有電壓瞬變現(xiàn)象，如沖擊脈沖、電壓下降、瞬時(shí)間斷等。1

3、2電能質(zhì)量的分類根據(jù)電磁干擾現(xiàn)象的特征進(jìn)行劃分，可將電能質(zhì)量問題分為穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量和暫態(tài)電能質(zhì)量兩類。其中，穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題是指以波形畸變?yōu)樘卣鞫痣娔苜|(zhì)量污染的問題，主要包括諧波(其特征指標(biāo)是出現(xiàn)的諧波電壓、電流的波形)、電壓閃變(其特征指標(biāo)是波動(dòng)幅值、調(diào)制頻率等)、陷波(其特征指標(biāo)是持續(xù)時(shí)間、幅值)、三相不對(duì)稱(其特征指標(biāo)是不平衡因子)。而暫態(tài)電能質(zhì)量問題是指正弦波形受到暫態(tài)擾動(dòng)而發(fā)生畸變，是以頻譜和暫態(tài)持續(xù)時(shí)間為特征的，主要包括暫態(tài)諧振(其特征指標(biāo)是波形、峰值和持續(xù)時(shí)問)、暫態(tài)脈沖(其特征指標(biāo)是電壓上升時(shí)間、峰值和持續(xù)時(shí)間)、瞬時(shí)電壓上升和下陷(其特征指標(biāo)是變化幅值、持續(xù)時(shí)間)。2船舶電

4、力系統(tǒng)電能界面要求21電制1)主電力系統(tǒng)和正常照明系統(tǒng)的電制。船舶主電力系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先采用三相380 V 50 Hz不接地制，正常照明系統(tǒng)由主電力系統(tǒng)通過變壓器供電，采用交流三相或單相220 V 50 Hz不接地制。2)二次電力系統(tǒng)。(1)可以使用三相或單相50 Hz 380 V、220 V或115 V和三相或單相400 Hz 380 V、220 V或115 V。(2)在確認(rèn)需要時(shí)，可使用直流220 V、115V或24 V和單相50 Hz 24 V。3)用電設(shè)備電制優(yōu)先次序。(1)電壓。電壓要求如下。大于等于5 KVA的全部機(jī)械和設(shè)備，應(yīng)選用380 V、三相交流定額。小于5 KVA的全部機(jī)械和設(shè)備

5、，如果可行，也應(yīng)選用380 V、三相交流定額；如果這種定額不可行，則按下列次序優(yōu)選：380 V、單相；220 V、三相；220V、單相；115 V、三相；115 V、單相。特殊電壓：115 V220 V、三相、四線、中性線接地，這個(gè)電壓僅適合于400 Hz航空勤務(wù)設(shè)備。(2)頻率。用電設(shè)備應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)成以50 Hz運(yùn)行。在需要時(shí)，用電設(shè)備也可設(shè)計(jì)成以400 Hz運(yùn)行，但應(yīng)經(jīng)過論證。22船舶電力界面品質(zhì)要求電力系統(tǒng)的供電界面置于用電設(shè)備(或分系統(tǒng))的輸入端，有關(guān)界面品質(zhì)的規(guī)定不適合于用電設(shè)備(或分系統(tǒng))的內(nèi)部。對(duì)交流用電設(shè)備供電的電力界面品質(zhì)，應(yīng)符合表1表6規(guī)定的3種標(biāo)準(zhǔn)電力特性，用電設(shè)備應(yīng)能在

6、這種條件下正常工作，同時(shí)，用電設(shè)備的工作不應(yīng)引起界面處品質(zhì)的惡化超出表1表6允許的限度。3種標(biāo)準(zhǔn)電力優(yōu)選順序遞次為I型、型及型。為了保證供電界面處的品質(zhì)，發(fā)電、配電設(shè)備的工作特性應(yīng)符合該標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)要求。交流24 V電力界面的品質(zhì)，如無專門說明，可歸為表1表6的I型指標(biāo)。3船舶電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的要求船舶電力系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的、小型的完整電力系統(tǒng)，主要由電源設(shè)備、配電系統(tǒng)和負(fù)載組成。由于其系統(tǒng)的容量較小，沖擊性負(fù)載的大量使用，使獨(dú)立電網(wǎng)中的短時(shí)電壓波動(dòng)問題比較嚴(yán)重；導(dǎo)航設(shè)備等非線性負(fù)載直接掛在電網(wǎng)上，對(duì)電力系統(tǒng)的影響很強(qiáng)，使得電網(wǎng)的電壓波形發(fā)生畸變，引起嚴(yán)重的時(shí)變諧波問題；由于負(fù)載的變動(dòng)劇烈，容易產(chǎn)

7、生連續(xù)的、頻繁的動(dòng)態(tài)大功率沖擊。由于這些因素的存在，使得船舶獨(dú)立電力系統(tǒng)與陸用大電網(wǎng)有著更嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題，因此對(duì)船舶電能質(zhì)量的要求與陸用電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的要求是有差別的。31電力類型船舶交流電力系統(tǒng)分為3類標(biāo)準(zhǔn)的類型：I型為50 Hz電力、型和型為400 Hz電力。1)I型50Hz電力。由船舶主電站供電的主配電系統(tǒng)應(yīng)為50 Hz、380 V不接地系統(tǒng)。由船舶配電系統(tǒng)通過變壓器供電的艦船照明系統(tǒng)應(yīng)為50 Hz、220 V不接地系統(tǒng)。由變壓器供電的三相50 Hz、220 V不接地系統(tǒng)也可用于向其他用電設(shè)備(如小容量電子沒備和生活電器)供電。艦船主電站及主配電系統(tǒng)和照明系統(tǒng)應(yīng)被設(shè)計(jì)成可向用電設(shè)備

8、提供I型電力。2)型和型400 Hz電力。由電動(dòng)發(fā)電機(jī)組、靜止式變頻器或逆變器供電的系統(tǒng)應(yīng)為三相或單相400 Hz、380 V、220 V或115 V不接地系統(tǒng)。變電設(shè)備及配電系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成可向用電設(shè)備提供型和型電力，且型電力的使用應(yīng)優(yōu)于型電力。只有在型電力無法滿足使用要求而必須使用具有更佳特性的電力時(shí)，才可使用型電力。對(duì)僅用于航空勤務(wù)和航空維修的局部專用配電系統(tǒng)應(yīng)為三相四線400 Hz、115 V220 V中性點(diǎn)接地系統(tǒng)。32交流電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量要求1)電壓允差。表l給出了3種電力類型的電壓允差要求。表1 電壓允差要求電能質(zhì)量I型型型用電設(shè)備標(biāo)稱電壓(有效值)380V或220V380V或22

9、0V或115V380V或220V或115V或115220V用電設(shè)備電壓允差(a)三相線電壓的平均值允差(b)任一線電壓容差575723電壓的周期性變化允差221注：115 V200 V、四線中性線接地系統(tǒng)，當(dāng)其經(jīng)線電壓蒯節(jié)器供電時(shí)，型的電能質(zhì)量適用于相電壓。2)頻率允差。表2給出了3種電力類型的頻率允差要求。表2 頻率允差要求電能質(zhì)量I型型型標(biāo)稱頻率50Hz400Hz400Hz頻率允差350.5頻率的周期性變化允差0.50.5O.5瞬態(tài)電壓允差441故障情況除外，由頻率偏差、頻率的周期性變化偏差、瞬態(tài)電壓偏差組合引起的與標(biāo)稱頻率的最大偏差5.56.51.53)諧波。表3給出了對(duì)3種電力類型的諧

10、波要求。表3 諧波要求電能質(zhì)量I型型型最大單次諧波含量332正弦性畸變率553偏離系數(shù)5554)電壓、電流不平衡允差。表4給出了3種電力類型的電壓、電流不平衡允差要求。表4 電壓、電流不平衡允差要求電能質(zhì)量I型型型線電壓不平衡允差3132電流不平衡允差55155)暫態(tài)和瞬態(tài)電壓。表5給出了3種電力類型的暫態(tài)和瞬態(tài)電壓要求。表5 暫態(tài)和瞬態(tài)電壓要求電能質(zhì)量I型型型瞬態(tài)電壓(a)瞬態(tài)電壓允差(b)瞬態(tài)電壓恢復(fù)時(shí)間62s162s50.25s尖峰電壓(峰值)2500V(對(duì)380V系統(tǒng))1700V(對(duì)220V系統(tǒng))2500V(對(duì)380V系統(tǒng))1700V(對(duì)220V統(tǒng))1000V(對(duì)115V系統(tǒng))2500

11、V(對(duì)380V系統(tǒng))1700V(對(duì)220V系統(tǒng))1000V(對(duì)115V系統(tǒng))6)供電連續(xù)性。對(duì)由設(shè)備故障、模擬訓(xùn)練或操作失誤等引起的短至l ms以內(nèi)，長至數(shù)分鐘的供電間斷，應(yīng)通過合理設(shè)置有限間斷電源來消除其不利影響，以確保在各種不同工況下對(duì)重要用電設(shè)備的供電連續(xù)性和可靠性。有限間斷電源應(yīng)由來自一塊主配電板的正常電源、來自另一塊主配電板的備用電源和或來自一塊應(yīng)急配電板的應(yīng)急電源以及電源故障自動(dòng)檢測(cè)裝置和母線轉(zhuǎn)換開關(guān)構(gòu)成。當(dāng)正常電源斷電(或正常電源和備用電源同時(shí)斷電)時(shí)，電源故障自動(dòng)檢測(cè)裝置應(yīng)能迅速反應(yīng)，并通過母線轉(zhuǎn)換開關(guān)以延時(shí)或瞬時(shí)轉(zhuǎn)換的方法將所接用電設(shè)備轉(zhuǎn)換至備用電源或應(yīng)急電源。從正常電源轉(zhuǎn)接

12、至備用電源的轉(zhuǎn)換時(shí)間一般應(yīng)在0.52.0 s的范圍內(nèi)。從正常電源或備用電源轉(zhuǎn)接至應(yīng)急電源的轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)在1030 s的范圍內(nèi)。對(duì)向大容量動(dòng)力負(fù)載供電的特殊有限間斷電源，最長轉(zhuǎn)換時(shí)間不應(yīng)超過2 min。在確保電力系統(tǒng)能夠承受的前提下，應(yīng)將實(shí)際的轉(zhuǎn)換時(shí)間整定得盡可能短。表6給出了3種電力類型典型的斷電時(shí)間規(guī)定。表6 典型的斷電時(shí)間電能質(zhì)量I型型型典型的斷電時(shí)間0.52.0s0.52.0s0.53s7)浪涌電流。浪涌電流是由用電設(shè)備啟動(dòng)或工作狀態(tài)變化而引起的電流暫態(tài)變化，典型情況是電流在數(shù)毫秒內(nèi)增至最大值，并在幾毫秒至幾分鐘內(nèi)衰減至額定值。浪涌電流是在船舶電力系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的一種電能質(zhì)量現(xiàn)象，其造成的

13、影響很大，因此針對(duì)它提出了以下3條要求。(1)應(yīng)盡量減小由于用電設(shè)備啟動(dòng)或工作狀態(tài)變化而導(dǎo)致的浪涌電流的影響。(2)對(duì)于啟動(dòng)或工作狀態(tài)變化不太頻繁(平均每天10次以下)的用電設(shè)備，其最大浪涌電流所導(dǎo)致的界面電壓跌落不應(yīng)超過用電設(shè)備額定電壓的16(對(duì)采用I型和型電力的用電設(shè)備)或5(對(duì)采用型電力的用電設(shè)備)，且應(yīng)采取措施以防止兩個(gè)或多個(gè)這類用電設(shè)備同時(shí)啟動(dòng)或同時(shí)改變工作狀態(tài)。(3)對(duì)于啟動(dòng)或工作狀態(tài)變化較為頻繁(平均每天10次以上)的用電設(shè)備，其最大浪涌電流所導(dǎo)致的界面電壓跌落不應(yīng)超過用電設(shè)備額定電壓的10(對(duì)采用I型和型電力的用電設(shè)備)或3.5(對(duì)采用型電力的用電設(shè)備)。4結(jié)束語船舶電力系統(tǒng)是一個(gè)容量較小的獨(dú)立電力系統(tǒng)，各種大功率整流、變流、變頻電力電子裝置等沖擊性負(fù)載和非線性負(fù)載的大量使用使得其電力系統(tǒng)中的暫態(tài)脈沖、浪涌、諧波、電壓跌落等電力品質(zhì)問題比較嚴(yán)重，其直接后果是使船舶上許多基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制設(shè)備、電力裝置和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等敏感設(shè)備不能正常運(yùn)行，甚至可能對(duì)船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成重大影響。船舶