船舶电力系统电能质量研究

1、船舶电力系统电能质量研究2008年3月13日摘要：概述了电力系统电能质量的概念和分类，描述了船舶电力系统电能的界面要求，针对容量小的船舶独立电力系统，提出了对电能品质的要求和具体的指标。关键词：船舶；电力系统；电能质量0前言随着电力电子设备的广泛应用，电力系统电能问题已引起世界各国有关部门的重视。船舶电力系统是一个容量较小的独立电力系统。理想状态下的船舶交流电网应以恒定的频率(如50 Hz或60Hz)、正弦波形和标准电压对用户供电。但由于船舶电力系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称，使用电负荷的结构发生了重大变化，诸如半导体整流器、变频调整装置和家用电器等非线性、冲击性以及不平衡用

2、电特性负荷的大量投入使用，以及运行操作、调控手段的不完善、外来干扰和各种故障等原因，因此产生了电网运行、电力设备和供用电环节中的许多问题，这些问题都是由电力系统电能质量引起的。因此，对船舶电力系统电能质量的研究具有重要的现实意义。1电能质量的定义及分类11电能质量的定义电能质量是指通过电网供给用电设备或用户端的交流或直流电能的品质。一般认为，对电能质量可以定义为：导致用户电力设备不能正常工作的电压、电流或频率偏差，造成用电设备故障或错误动作的任何电力问题都是电能质量问题。根据这一定义，电能质量除了保证额定电压和额定频率下的正弦波形外，还包括所有电压瞬变现象，如冲击脉冲、电压下降、瞬时间断等。1

3、2电能质量的分类根据电磁干扰现象的特征进行划分，可将电能质量问题分为稳态电能质量和暂态电能质量两类。其中，稳态电能质量问题是指以波形畸变为特征而引起电能质量污染的问题，主要包括谐波(其特征指标是出现的谐波电压、电流的波形)、电压闪变(其特征指标是波动幅值、调制频率等)、陷波(其特征指标是持续时间、幅值)、三相不对称(其特征指标是不平衡因子)。而暂态电能质量问题是指正弦波形受到暂态扰动而发生畸变，是以频谱和暂态持续时间为特征的，主要包括暂态谐振(其特征指标是波形、峰值和持续时问)、暂态脉冲(其特征指标是电压上升时间、峰值和持续时间)、瞬时电压上升和下陷(其特征指标是变化幅值、持续时间)。2船舶电

4、力系统电能界面要求21电制1)主电力系统和正常照明系统的电制。船舶主电力系统应优先采用三相380 V 50 Hz不接地制，正常照明系统由主电力系统通过变压器供电，采用交流三相或单相220 V 50 Hz不接地制。2)二次电力系统。(1)可以使用三相或单相50 Hz 380 V、220 V或115 V和三相或单相400 Hz 380 V、220 V或115 V。(2)在确认需要时，可使用直流220 V、115V或24 V和单相50 Hz 24 V。3)用电设备电制优先次序。(1)电压。电压要求如下。大于等于5 KVA的全部机械和设备，应选用380 V、三相交流定额。小于5 KVA的全部机械和设备

5、，如果可行，也应选用380 V、三相交流定额；如果这种定额不可行，则按下列次序优选：380 V、单相；220 V、三相；220V、单相；115 V、三相；115 V、单相。特殊电压：115 V220 V、三相、四线、中性线接地，这个电压仅适合于400 Hz航空勤务设备。(2)频率。用电设备应尽可能设计成以50 Hz运行。在需要时，用电设备也可设计成以400 Hz运行，但应经过论证。22船舶电力界面品质要求电力系统的供电界面置于用电设备(或分系统)的输入端，有关界面品质的规定不适合于用电设备(或分系统)的内部。对交流用电设备供电的电力界面品质，应符合表1表6规定的3种标准电力特性，用电设备应能在

6、这种条件下正常工作，同时，用电设备的工作不应引起界面处品质的恶化超出表1表6允许的限度。3种标准电力优选顺序递次为I型、型及型。为了保证供电界面处的品质，发电、配电设备的工作特性应符合该标准的相应要求。交流24 V电力界面的品质，如无专门说明，可归为表1表6的I型指标。3船舶电力系统电能质量的要求船舶电力系统是一个独立的、小型的完整电力系统，主要由电源设备、配电系统和负载组成。由于其系统的容量较小，冲击性负载的大量使用，使独立电网中的短时电压波动问题比较严重；导航设备等非线性负载直接挂在电网上，对电力系统的影响很强，使得电网的电压波形发生畸变，引起严重的时变谐波问题；由于负载的变动剧烈，容易产

7、生连续的、频繁的动态大功率冲击。由于这些因素的存在，使得船舶独立电力系统与陆用大电网有着更严重的电能质量问题，因此对船舶电能质量的要求与陆用电力系统电能质量的要求是有差别的。31电力类型船舶交流电力系统分为3类标准的类型：I型为50 Hz电力、型和型为400 Hz电力。1)I型50Hz电力。由船舶主电站供电的主配电系统应为50 Hz、380 V不接地系统。由船舶配电系统通过变压器供电的舰船照明系统应为50 Hz、220 V不接地系统。由变压器供电的三相50 Hz、220 V不接地系统也可用于向其他用电设备(如小容量电子没备和生活电器)供电。舰船主电站及主配电系统和照明系统应被设计成可向用电设备

8、提供I型电力。2)型和型400 Hz电力。由电动发电机组、静止式变频器或逆变器供电的系统应为三相或单相400 Hz、380 V、220 V或115 V不接地系统。变电设备及配电系统应设计成可向用电设备提供型和型电力，且型电力的使用应优于型电力。只有在型电力无法满足使用要求而必须使用具有更佳特性的电力时，才可使用型电力。对仅用于航空勤务和航空维修的局部专用配电系统应为三相四线400 Hz、115 V220 V中性点接地系统。32交流电力系统的电能质量要求1)电压允差。表l给出了3种电力类型的电压允差要求。表1 电压允差要求电能质量I型型型用电设备标称电压(有效值)380V或220V380V或22

9、0V或115V380V或220V或115V或115220V用电设备电压允差(a)三相线电压的平均值允差(b)任一线电压容差575723电压的周期性变化允差221注：115 V200 V、四线中性线接地系统，当其经线电压蒯节器供电时，型的电能质量适用于相电压。2)频率允差。表2给出了3种电力类型的频率允差要求。表2 频率允差要求电能质量I型型型标称频率50Hz400Hz400Hz频率允差350.5频率的周期性变化允差0.50.5O.5瞬态电压允差441故障情况除外，由频率偏差、频率的周期性变化偏差、瞬态电压偏差组合引起的与标称频率的最大偏差5.56.51.53)谐波。表3给出了对3种电力类型的谐

10、波要求。表3 谐波要求电能质量I型型型最大单次谐波含量332正弦性畸变率553偏离系数5554)电压、电流不平衡允差。表4给出了3种电力类型的电压、电流不平衡允差要求。表4 电压、电流不平衡允差要求电能质量I型型型线电压不平衡允差3132电流不平衡允差55155)暂态和瞬态电压。表5给出了3种电力类型的暂态和瞬态电压要求。表5 暂态和瞬态电压要求电能质量I型型型瞬态电压(a)瞬态电压允差(b)瞬态电压恢复时间62s162s50.25s尖峰电压(峰值)2500V(对380V系统)1700V(对220V系统)2500V(对380V系统)1700V(对220V统)1000V(对115V系统)2500

11、V(对380V系统)1700V(对220V系统)1000V(对115V系统)6)供电连续性。对由设备故障、模拟训练或操作失误等引起的短至l ms以内，长至数分钟的供电间断，应通过合理设置有限间断电源来消除其不利影响，以确保在各种不同工况下对重要用电设备的供电连续性和可靠性。有限间断电源应由来自一块主配电板的正常电源、来自另一块主配电板的备用电源和或来自一块应急配电板的应急电源以及电源故障自动检测装置和母线转换开关构成。当正常电源断电(或正常电源和备用电源同时断电)时，电源故障自动检测装置应能迅速反应，并通过母线转换开关以延时或瞬时转换的方法将所接用电设备转换至备用电源或应急电源。从正常电源转接

12、至备用电源的转换时间一般应在0.52.0 s的范围内。从正常电源或备用电源转接至应急电源的转换时间应在1030 s的范围内。对向大容量动力负载供电的特殊有限间断电源，最长转换时间不应超过2 min。在确保电力系统能够承受的前提下，应将实际的转换时间整定得尽可能短。表6给出了3种电力类型典型的断电时间规定。表6 典型的断电时间电能质量I型型型典型的断电时间0.52.0s0.52.0s0.53s7)浪涌电流。浪涌电流是由用电设备启动或工作状态变化而引起的电流暂态变化，典型情况是电流在数毫秒内增至最大值，并在几毫秒至几分钟内衰减至额定值。浪涌电流是在船舶电力系统中经常遇到的一种电能质量现象，其造成的

13、影响很大，因此针对它提出了以下3条要求。(1)应尽量减小由于用电设备启动或工作状态变化而导致的浪涌电流的影响。(2)对于启动或工作状态变化不太频繁(平均每天10次以下)的用电设备，其最大浪涌电流所导致的界面电压跌落不应超过用电设备额定电压的16(对采用I型和型电力的用电设备)或5(对采用型电力的用电设备)，且应采取措施以防止两个或多个这类用电设备同时启动或同时改变工作状态。(3)对于启动或工作状态变化较为频繁(平均每天10次以上)的用电设备，其最大浪涌电流所导致的界面电压跌落不应超过用电设备额定电压的10(对采用I型和型电力的用电设备)或3.5(对采用型电力的用电设备)。4结束语船舶电力系统是一个容量较小的独立电力系统，各种大功率整流、变流、变频电力电子装置等冲击性负载和非线性负载的大量使用使得其电力系统中的暂态脉冲、浪涌、谐波、电压跌落等电力品质问题比较严重，其直接后果是使船舶上许多基于计算机系统的控制设备、电力装置和网络设备等敏感设备不能正常运行，甚至可能对船舶电力系统的稳定性造成重大影响。船舶