船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量的數(shù)字測量系統(tǒng)研究

何 敏，王宏博

（上海海事大學(xué)，上海 200135）

0 引 言

船舶電力系統(tǒng)對于電能質(zhì)量參數(shù)的測量，主要涉及到匯流排上的電壓和頻率，以及發(fā)電機(jī)組的輸出電流和其他相關(guān)參數(shù)。測量通常由對電壓和電流波形的畸變較敏感的測量儀器完成，這導(dǎo)致了較大的測量誤差。盡管電壓和電流波形的畸變目前還沒有完全得以控制，電壓和頻率與各自額定值的瞬時偏差還沒有能被有效地進(jìn)行記錄的成熟方案，但是，這些參數(shù)已出現(xiàn)在了一些船級社的規(guī)范中[1,2]。因此，開發(fā)出一種適合船舶應(yīng)用的電力系統(tǒng)電能質(zhì)量參數(shù)測量方案是目前船電界的一個熱點研究方向。

1 船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量參數(shù)

通常情況下，電能質(zhì)量參數(shù)涉及到電壓和電流的有效值，用Urms和Irms來表示，同時與有功功率P，無功功率Q，視在功率S，功率因數(shù)λ，頻率f等因素有關(guān)[1]。通過A/D轉(zhuǎn)換，上述參數(shù)可由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，例如在單向網(wǎng)絡(luò)中上述參數(shù)可表示為：

而在一個三相網(wǎng)絡(luò)中可表示為：

式中：N——一個周期內(nèi)的采樣次數(shù)，Uk——電壓有效值的第k次采樣；ik——電流有效值的第k次采樣。

然而，由于船舶電網(wǎng)是一個孤立的電網(wǎng)，且承載容量有限，電網(wǎng)質(zhì)量有可能會受到船上非線性負(fù)載的影響[3]。當(dāng)然，電力推進(jìn)系統(tǒng)中其他因素也可能惡化電網(wǎng)質(zhì)量，如能耗比較大的電機(jī)（船首或船尾推進(jìn)器），當(dāng)這些電機(jī)并網(wǎng)運行時，電機(jī)的次瞬態(tài)電抗導(dǎo)致諧波的出現(xiàn)[4]。這就意味著僅采用上述提到的參數(shù)來衡量電網(wǎng)質(zhì)量是不夠的，還必須考慮電網(wǎng)中諧波的成分[5]。與常規(guī)的電能質(zhì)量參數(shù)相比，電網(wǎng)畸變特性參數(shù)的測量更為困難。于是，通常采用總諧波失真（THD）這個測量參數(shù)：

式中：Ah——h次為諧波的有效值；A1——基波的有效值；N——測量諧波的最高次數(shù)。

正如英國勞氏船級社頒發(fā)的規(guī)則，配電板中諧波電壓總諧波失真THDu由所有的諧波決定（從1次諧波到50次諧波，其中1次諧波為基波），并且不超過8%[6]。

式中：Uh——h次電壓諧波的有效值；U1——基波電壓有效值。

2 測量系統(tǒng)設(shè)計

目前，應(yīng)用于海洋系統(tǒng)的諧波檢測方法仍然采用模擬分析法，通常分為兩類：多通道頻譜分析和計算頻譜分析[6]。而陸上諧波檢測則大多采用數(shù)字分析法，它像數(shù)字示波器一樣能夠改變采樣信號。事實上，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置了專用的分析儀時，分析過程會變得更加容易且快速，這類數(shù)字系統(tǒng)通常具有更高的A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)和更寬的頻帶。

本文設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)可用于檢測船舶電力系統(tǒng)的電壓諧波，其算法適用于三相三線系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量的數(shù)字測量系統(tǒng)

圖1中，輸入電路包括分頻器、低噪聲低失調(diào)的放大器，輸入電路為放大器提供一個標(biāo)準(zhǔn)的信號源，用來自動修正增益和不平衡因素導(dǎo)致的系統(tǒng)失衡。圖中低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為 100kHz，用以限制輸入信號的帶寬，避免信號頻譜混疊。A/D轉(zhuǎn)換的精度為13位，采樣速度為256000點/s。A/D轉(zhuǎn)換需要經(jīng)過兩個階段，第一階段，將采樣得到的采樣序列轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，第二階段，將采樣序列進(jìn)行FFT變換。FFT變換及整個測量系統(tǒng)的工作都是由微處理器來控制的。其內(nèi)置程序在整個測量過程中起著重要作用，例如，畸變電壓參數(shù)的測量過程就是由內(nèi)置程序中的一系列程序指令控制的。

3 電力推進(jìn)系統(tǒng)的測量實驗

上海海事大學(xué)航運模擬中心的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的物理模擬系統(tǒng)采用雙三相推進(jìn)器 ，變壓器原邊采用三角形連接，副邊采用三角形和星形連接。 雙三相電動機(jī)容量為1.1kVA，提供的電壓頻率范圍為1.5～15Hz[1]。從圖2中可以看出，在空載的情況下推進(jìn)電機(jī)變壓器的線性電壓產(chǎn)生了畸變。此時電源頻率為15.072Hz。

圖2 推進(jìn)電機(jī)變壓器線電壓波形

從圖2中還可看出，推進(jìn)電機(jī)變壓器的線電壓的畸變頻率范圍較廣，包括了從低頻到高頻的整個頻帶。表1列出了各次諧波的測量數(shù)據(jù)，包括直流電壓（0次諧波）、基波（1次諧波）電壓和 2～50次諧波的電壓。根據(jù)表1中的測量數(shù)據(jù)可得出該電網(wǎng)電壓的THDu是 9.09%。此外，還測量了該系統(tǒng)的其他參數(shù)，包括：電流有效值為1.619A，電壓的有效值為116.16V, 電壓的最大值是229.2V，有功功率為0.134kW，無功功率為0.132kVar, 視在功率為0.188kVA，功率因數(shù)為0.7128。

表1 線電壓的波形分析

4 結(jié) 語

在船舶電網(wǎng)研究中，對船舶電網(wǎng)的電壓畸變進(jìn)行測量是非常有必要的。本文給出了船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量數(shù)字測量系統(tǒng)設(shè)計方案，其實驗結(jié)果驗證了用數(shù)字分析法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬分析法是可行的，也說明了該測量系統(tǒng)用于船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量的參數(shù)測量是可行的。

[1]許曉彥. 船舶多模式電站與船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量研究[D].上海海事大學(xué)博士學(xué)位論文，2007.

[2]李 楠. 現(xiàn)代船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展[J]. 中國水運,2009, 9 (1)∶ 2.

[3]許曉彥，石晴晴，電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)提高電能質(zhì)量方法研究[J]. 電氣技術(shù)，2010, (8).

[4]李杰仁. 船舶電力推進(jìn)裝置概論[J]. 船電通訊，2005,(111)∶ 1-4.

[5]Tarasiuk T. Mindykowski J. and Xu X. 2003 Facing a Problem of Electrical Energy Quality in Ship Networks -Measurement[A]. Estimation, Control, J. of Shanghai Maritime University[C]. 24, 3, 193-199.

[6]Mindykowski J.2003 Assessment and Improvement of Electric Power Quality in Ships’ Modern Systems[A]. Proc.of IMECE’[C], Shanghai∶ 2003∶ 8-21.