张薇 张岩
江苏扬子三井造船有限公司 江苏 太仓 215428
摘要：如今，随着电子技术的发展，大量的电力电子装置以及非线性负荷逐步应用到船舶电力系统中。在提高了船舶性能的同时，也往往对船舶电能质量造成了严重的影响，从而对电气设备产生不利的影响，严重时威胁到经济财产安全。因此，对电能质量进行实时监测和分析，有利于确保船舶电力系统安全运行，已成为了国内外关注的焦点。
关键词：船舶，电力系统，电能质量，问题分析
1电能质量的定义及分类
1.1 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。
1.2 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、峰值和持续时间)、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电能质量国家标准
导致用户电力设备故障或误操作的电压电流或频率的静态偏差和动态扰动都统称为电能质量问题。1988年，我国为加强电力系统电能质量管理工作，曾颁布了《电网电能质量技术监督管理规定》，指出为保证电力系统安全、稳定、经济、优质运行是电力企业和用户共同的责任和义务。我国已经制定并颁布的电能质量指标有：GB/T12325-1990《电能质量 供电电压偏差》、GB/T15945-1995《电能质量 电力系统频率偏差》、GB/T15543-1995《电能质量 三相电压不平衡度》、GB/T12326-1990《电能质量 电压波动和闪变》、GB/T14549-1993《电能质量 公用电网谐波》、GB/T19862-2005《电能质量 电能质量监测设备通用要求》和GB/T18481-2001《电能质量 暂态过电压和瞬态过电压》七项国家标准。标准中规定了交流电力系统中作用于电气设备稳定电压、频率、三相平衡度、波动与闪变、波形畸变以及暂时过电压和瞬时过电压要求，以及过电压保护方法。
尽管国家电能质量的标准体系比较完善，这些标准通用性也相对较强，但相对于船舶这一特殊复杂的电网而言，而且相比于陆上电网有较大差别，那么上述国家标准就不能完全适合。像IEC60092-101和IEC60533标准，这些标准中也涉及到了部分船舶电网的内容，但是还不足以满足实际的需要。船舶电能质量一般分为电压质量、频率质量和有功功率和无功功率分配。其中电压质量包括电压偏差、三相不平衡、谐波与间谐波、电压突降与突升。频率质量包括频率偏差、频率波动。在实际的船舶电网中，往往是多种干扰同时并存，且相互影响。很多国家的船级社公布的船舶的检验规范当中包含有船舶电网电能质量较为详细的条款。我国的船级社也给出了相应的内容。根据IEC60092-101标准下的电能质量参数标准为：电压偏差为+6%，-10%；不平衡为3%；频率偏差为±5%；总谐波畸变为5%；任何次的单次谐波含有量限制值为3%。由于船舶电网是一个小容量且复杂的电网，电磁干扰较大，其电能质量的重要性一点也不小于陆上电网。
3船电系统电能质量问题的解决措施
影响船电系统电能质量的因素有很多。对于船电电能质量的考虑在整个舰船的论证、设计、建造和运行过程中都是非常重要的。
3.1论证时期
要改善船电系统的电能质量,首先必须在舰船建造论证和方案设计阶段充分考虑系统的电能质量问题,验证系统电磁兼容性,并进行理论研究,仿真和试验验证。在这阶段，可通过时域和频域的分析方法进行研究。频域分析法可用于分析系统谐波,主要方法是依次往系统节点中注入各次谐波电流,分析各次谐波的导纳矩阵，获得系统的谐波阻抗－频率分布图，并从曲线中获得发生串、并联谐振的频率,并采取必要的稳定性措施进行抑制。时域仿真方法在电能质量分析中的应用最为广泛，通过时域仿真,可对系统的各种暂态现象和谐波问题进行研究。目前比较通用的时域仿真软件主要有EMTC、EMTDC、NETOMAC等系统暂态仿真程序和SPI-CE、PSPICE、SABER等电力电子仿真程序两大类。采用时域仿真计算的缺点是仿真步长的选取决定了可模仿的最大频率范围，故必须事先知道暂态过程的频率覆盖范围。
3.2设备选型和系统结构布置
合理的选择供电设备、配电设备和用电设备，合理配置系统参数，可以有效抑制系统的电能质量问题。可将系统划分为若干个单独供电的独立子系统，并将配电板分区设置,按照设备敏感程度和重要性设置成若干区域,对敏感程度高和对舰船安全性具有重要意义的设备进行独立供电，并进行适当的电磁兼容防护。独立供电系统所用电能可通过旋转变流装置从主干电网通过变流获得。
3.3设置滤波装置
设置滤波装置可以进行谐波抑制和无功补偿。主要有以下几种方式：安装滤波器和功率因数校正器，这种方法最有效，技术相对成熟，但体积重量比较大。采用三绕组隔离变压器，这在全电力船舶中使用较多。受电力电子器件容量的限制，在大容量变流调速系统中，有源前端整流装置目前在船舶推进领域使用不多，一般都采用三相二极管整流装置，三绕组隔离变压器将全波整流的6脉波提高到12脉波，通过左右舷的配合可以达到24脉波，可以有效抑制谐波。同时变压器具有隔离和滤波作用，因而目前应用较为普遍。为了减小供电设备体积，提高整体功率密度，新型舰船开始采用逐渐高压电制，在配电系统中增加高/低压变压装置（日用变压器）。最新研究表明，在日用变压器付边增加一绕组，通过合理设计参数和绕线形式，同样能有效吸收系统谐波。
3.4服役期间的电能质量管理
电能质量的管理和控制，不可能是一劳永逸的,船电系统的电能质量还受到电力系统各性能参数的影响。舰船在服役过程中,不可避免的会出现设备老化、绝缘降低、设备更新等一系列问题,使得船电系统的主要性能参数不断变化，尤其是对舰船进行现代化的改装时，将全面影响船电系统性能。因此，必须建立电能质量的在线检测和分析系统。针对电能质量问题的两个现象，一方面对电网主要网络节点进行长期监测，定期记录电网参数的变动情况，对各参数进行统计比较，分析系统的电能质量状况，提高船电系统的运行效率；另一方面，捕捉随时偶发的电能质量事件，定期分析常发事件产生原因和可能造成的危害程度，并进行预测和警报。
4结语
总之，船舶电力系统的正常运行对保证其正常航行、设备的正常工作具有重要意义。因此规定其电力系统的电能质量, 并采取适当的措施来提高和改善独立电力系统中的电力品质, 使其能够满足船舶电力设备正常运行的要求，具有重要的意义。
参考文献
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