GB-T 47674-2026《船舶电气设备阻抗匹配技术要求》

1GB/T47674-2026《船舶电气设备阻抗匹配技术要求》本文件规定了船舶电气设备阻抗匹配的一般要求、设计要求、实施要求和验证要求等。本文件适用于高比例电力电子化船舶的电气设备设计，包含直流变换器、整流器、逆变器、变频器、电力电子变压器、有源滤波器、不间断电源等设备。本文件不适用于传统隔离变压器、基于不控半导体器件的变换器、配电柜等设备。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T2900.1—2008电工术语基本术语3术语和定义GB/T2900.1—2008界定的以及下列术语和定义适用于本文件。高比例电力电子化船舶highlyproportionpowerelectricizedships船舶电力系统中，电力电子化电气设备最大总投入运行功率占比大于系统总额定运行功率30%的船舶。阻抗匹配impedancematching前级设备等效输出阻抗与后级设备等效输入阻抗之间的关系满足奈奎斯特稳定判据，从而确保设备和系统在小扰动下是稳定的。增益裕度gainmargin在相位截止频率(即相频特性曲线首次达到—180°的频率)处，0dB与系统的增益之间的差值。相位裕度phasemargin在增益截止频率(即幅频特性曲线与0dB线相交的频率)处，系统的相位与—180°之间的差值。右半平面极点righthalfplanepole在复平面的右半部分存在的系统极点。右半平面零点righthalfplanezero在复平面的右半部分(即实部大于零的部分)存在的系统零点。小干扰稳定smallsignalstability电力系统受到小干扰后，不发生自发振荡或非周期性失步，自动恢复到起始运行状态的能力。4一般要求4.1阻抗匹配范围船舶电气设备阻抗匹配应包括电气设备自身阻抗限定、多级级联阻抗匹配和多机串并联阻抗匹配。4.2阻抗匹配目标船舶电气设备的阻抗匹配应能满足以下目标：a)实现电气设备处于多级级联状态下的小干扰稳定；b)实现电气设备处于多机串并联状态下的小干扰稳定；c)不影响电气设备自身稳态、动态性能，保证电气设备满足技术要求。5设计要求5.1电气设备自身阻抗限定要求电气设备自身阻抗限定要求如下：a)全工况条件下，根据控制特性，电气设备的端口阻抗不应存在右半平面极点；b)电气设备的端口阻抗不宜存在右半平面零点；c)电气设备端口阻抗宜考虑装置的稳态、动态性能约束。5.2多级级联阻抗匹配要求多级级联系统为电力系统中两个或多个电气设备之间仅以前后级联形式连接组成系统，电气设备间存在多级级联阻抗匹配要求。多级级联系统应确保系统内任一级联点的稳定性，多级级联系统状态示意图如图1所示。级联点阻抗匹配要求通常由其阻抗比(由控制特性决定)的增益裕度与相位裕度表征。针对直流型电气设备，一般采用奈奎斯特判据获取相关裕度结果；针对交流型电气设备，一般采用广义奈奎斯特判据获取相关裕度结果。输出阻抗输入阻抗图1多级级联系统状态示意图考虑实际电气设备的多样性和运行复杂性，按负载性质分类，并以区间形式给出级联点电气设备阻抗匹配要求推荐值，见表1。3表1多级级联系统电气设备阻抗匹配要求推荐值负载性质相位裕度推荐区间增益裕度推荐区间刚性负载(负载有功/无功功率与电压存在线性关系)(负载有功/无功功率与电压存在非线性关系)5.3多机串并联阻抗匹配要求多机串并联系统为电力系统中多个电气设备之间以串联、并联等多种形式组成的单母线或多母线系统，此时母线内或母线间存在电气设备多机串并联阻抗匹配要求。多机串并联系统应确保系统内任一母线稳定性，多机串并联系统状态示意图如图2所示。(阻抗匹配)直流直流直流(阻抗匹配)(阻抗匹配)直流图2多机串并联系统状态示意图多机串并联母线稳定性可由连接至该母线的电气设备聚合阻抗比(由控制特性决定)的增益裕度与相位裕度表征。针对直流母线，一般采用奈奎斯特判据获取相关裕度结果；针对交流母线，一般采用广义奈奎斯特判据获取相关裕度结果。考虑实际电气设备的工况复杂性和电源-储能-负载互动情况，按母线性质分类以区间形式给出多机串并联状态下母线系统电气设备阻抗匹配要求推荐值，见表2。表2多机串并联系统电气设备阻抗匹配要求推荐值母线性质相位裕度推荐区间增益裕度推荐区间刚性母线系统(母线功率变化范围在额定功率的70%～110%)(母线功率变化范围在额定功率的10%～130%)46实施要求6.1设计阶段阻抗匹配要求6.1.1设计阶段阻抗匹配内容设计阶段阻抗匹配内容一般包括系统网络结构构建、电气设备运行工况分析评估、端口阻抗理论建模、电气设备稳定性评估，端口阻抗匹配设计。交流母线系统与直流母线系统设计流程相同。6.1.2系统网络结构构建系统网络结构构建要求如下：a)应明确电气设备所属的系统，确定系统的类型与结构，分析不同工况下设备与其他电气设备及系统之间的电气连接关系和稳态工作点，并说明工况切换模式及相应的控制策略；b)基于实际运行工况，按母线系统类别构建系统等效示意图如图3、图4所示，包括各级电气设备及其电气连接关系等内容。交流母线交流母线电机交流负载储能直流发电机交流 交流图3交流母线系统等效图储能负载电机直流图4直流母线系统等效图6.1.3电气设备运行工况分析评估电气设备运行工况分析评估要求如下：a)应明确电气设备的运行工况和内部信息，包括但不限于电气设备端口额定电压、功率，不同工5况下与其他电气设备之间的电气连接关系和稳态工作点，工况切换模式和控制策略；b)基于工程实践经验和仿真结果，对电气设备潜在的小信号失稳问题进行风险排序，包括但不限于多级级联阻抗不匹配失稳、多机串并联阻抗不匹配失稳；c)建立高风险工况与对应失稳问题的映射关系，参见5.2和5.3中阻抗匹配相关指标要求明确电气设备阻抗匹配要求。6.1.4端口阻抗理论建模端口阻抗理论建模步骤和要求如下。a)明确电气设备端口类型：确定需建模的电气设备端口，如直流变换器、整流器、逆变器、变频器、电力电子变压器、有源滤波器、不间断电源等设备的阻抗建模。b)确定建模精度：明确在特定频率范围内的端口阻抗精度要求，如直流变换器在1/2开关频率以上的精度、交流变换器在工频及工频倍频附近的精度，与测量结果的精度误差一般控制在5%以内，关键失稳风险频段的精度误差一般控制在1%以内，关键失稳风险频段为阻抗建模稳定性分析后获取的在阻抗幅值交截区或阻抗幅值未交截但最接近交截的区域。c)选取建模方法：根据电气设备电路与控制特性以及所需的建模精度要求，选取合适的小信号阻抗建模方法，现有建模手段包括但不限于状态空间平均建模法、广义状态空间平均建模法、扩展描述函数法、谐波线性化建模法和谐波状态空间建模法。对于直流变换器、有源滤波器、不间断电源宜使用状态空间平均建模法，对于单相逆变器宜使用广义状态空间平均建模法，对于三相逆变器、变频器、电力电子变压器宜使用谐波线性化建模法。d)阻抗模型结果校验与修正：利用阻抗测量技术获取电气设备端口阻抗测量结果，与理论阻抗模型进行校对，根据所需精度误差判定阻抗模型精度是否满足分析设计要求并开展修正工作，直到满足b)确定的建模精度。6.1.5电气设备稳定性评估电气设备稳定性评估内容要求如下：a)风险工况稳定性分析：针对工况分析结果中筛选出的高风险工况，应选取合适的阻抗判据开展稳定性分析，计算风险工况的增益裕度和相位裕度；b)失稳风险频段定位：基于阻抗伯德图识别是否存在不同电气设备端口阻抗幅值发生阻抗交截的频段，若存在阻抗交截的频段，则该阻抗交截频段为失稳风险频段；若无阻抗交截频段，两者阻抗幅值之间的差值小于3dB的频段，一般也应视为失稳风险频段；c)主要失稳源定位：基于阻抗判据，分析失稳风险频段处各电气设备阻抗特性对稳定裕度的影响，利用敏感性分析方法对不同风险工况下电气设备失稳贡献进行排序。6.1.6端口阻抗匹配设计端口阻抗匹配设计要求如下：a)制定设计目标：应根据阻抗匹配指标要求明确阻抗设计目标；b)制定端口阻抗标准：应根据阻抗设计目标，采用阻抗匹配判据形成失稳风险频段处电气设备端口阻抗幅值与相位要求；c)电气设备运行参数可行域确定：宜考虑电气设备稳态、动态性能约束，确定电气设备硬件参数和控制参数的可行域；d)电气设备运行参数敏感性分析：基于单因素分析、全局敏感性分析等方法评估端口阻抗对设备参数变化的敏感程度并筛选敏感参数；e)阻抗重塑实现：可采用电气设备软硬件参数整定、虚拟阻抗等方法重塑电气设备端口阻抗使其6满足端口阻抗标准，实现手段应兼顾经济性和有效性。6.2调试阶段阻抗匹配要求6.2.1调试阶段阻抗匹配内容调试阶段阻抗匹配内容一般包括电气设备阻抗信息获取、系统稳定性评估、阻抗匹配修正。6.2.2电气设备阻抗信息获取电气设备阻抗信息获取要求如下：a)数据采集：船舶电气设备具备端口信息采集接口，可采集实时运行过程中的电压、电流信息，采集频率范围应大于或等于阻抗测量频段要求；b)数据处理：宜考虑控制器处理能力选取合适的信号处理方法对由传感器实时获取的电气设备电压、电流信息进行预处理；c)状态感知：根据预处理状态信息，利用阈值判断法、人工智能算法等方法判断电气设备稳定性情况及风险，设备误判率一般小于1%;d)电气设备端口阻抗获取：利用功率注入源实施船舶电气设备阻抗在线测量，在线获取电气设备端口阻抗信息，其测量范围应覆盖关键失稳频段，其刷新频率由电气设备运行特性决定，应确保其满足响应需求。6.2.3系统稳定性评估系统稳定性评估内容及要求如下：a)裕度计算：基于获取的电气设备阻抗信息在系统监控上位机中计算各类潜在阻抗不匹配失稳工况的增益与相位裕度；b)风险评估：基于裕度计算结果判断电气设备失稳风险情况，风险评估范围应覆盖全工况。6.2.4阻抗匹配修正阻抗匹配修正内容及要求如下：a)阻抗修正方案选择：根据系统稳定性风险评估结果，若电气设备存在较大失稳风险，选取合适的阻抗重塑方法，如控制参数整定、虚拟阻抗，宜尽可能减小其对电气设备现有性能影响；b)阻抗修正：根据选取的阻抗修正方案，应结合电气设备与电力系统的实现能力，保证其实现可靠性和响应快速性。7验证要求7.1阻抗匹配评价和验证内容阻抗匹配评价和验证内容应包括评价指标与验证方法。7.2评价指标阻抗匹配评价应包括阻抗匹配实现效果评价和阻抗匹配有效性评价，指标要求如下：a)阻抗匹配实现效果评价指标：全工况条件下电气设备测量阻抗与设计阻抗偏差在刚性母线系统中应小于3%,在柔性母线系统中应小于1%;b)阻抗匹配有效性评价指标：全工况条件下电气设备不存在小干扰失稳问题，稳态、动态性能满足技术要求。77.3验证方法7.3.1一般规定阻抗匹配验证方法应根据验证对象、潜在失稳问题及试验条件，选取验证方式，开展验证。7.3.2验证方式阻抗匹配验证工况一般包含额定运行工况和高风险失稳工况，验证内容一般包括电气设备单机稳定性验证、多级级联状态稳定性验证和多机串并联状态稳定性验证。阻抗匹