GB-T 47674-2026《船舶電氣設備阻抗匹配技術要求》

1GB/T47674-2026《船舶電氣設備阻抗匹配技術要求》本文件規定了船舶電氣設備阻抗匹配的一般要求、設計要求、實施要求和驗證要求等。本文件適用于高比例電力電子化船舶的電氣設備設計，包含直流變換器、整流器、逆變器、變頻器、電力電子變壓器、有源濾波器、不間斷電源等設備。本文件不適用于傳統隔離變壓器、基于不控半導體器件的變換器、配電柜等設備。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T2900.1—2008電工術語基本術語3術語和定義GB/T2900.1—2008界定的以及下列術語和定義適用于本文件。高比例電力電子化船舶highlyproportionpowerelectricizedships船舶電力系統中，電力電子化電氣設備最大總投入運行功率占比大于系統總額定運行功率30%的船舶。阻抗匹配impedancematching前級設備等效輸出阻抗與后級設備等效輸入阻抗之間的關系滿足奈奎斯特穩定判據，從而確保設備和系統在小擾動下是穩定的。增益裕度gainmargin在相位截止頻率(即相頻特性曲線首次達到—180°的頻率)處，0dB與系統的增益之間的差值。相位裕度phasemargin在增益截止頻率(即幅頻特性曲線與0dB線相交的頻率)處，系統的相位與—180°之間的差值。右半平面極點righthalfplanepole在復平面的右半部分存在的系統極點。右半平面零點righthalfplanezero在復平面的右半部分(即實部大于零的部分)存在的系統零點。小干擾穩定smallsignalstability電力系統受到小干擾后，不發生自發振蕩或非周期性失步，自動恢復到起始運行狀態的能力。4一般要求4.1阻抗匹配范圍船舶電氣設備阻抗匹配應包括電氣設備自身阻抗限定、多級級聯阻抗匹配和多機串并聯阻抗匹配。4.2阻抗匹配目標船舶電氣設備的阻抗匹配應能滿足以下目標：a)實現電氣設備處于多級級聯狀態下的小干擾穩定；b)實現電氣設備處于多機串并聯狀態下的小干擾穩定；c)不影響電氣設備自身穩態、動態性能，保證電氣設備滿足技術要求。5設計要求5.1電氣設備自身阻抗限定要求電氣設備自身阻抗限定要求如下：a)全工況條件下，根據控制特性，電氣設備的端口阻抗不應存在右半平面極點；b)電氣設備的端口阻抗不宜存在右半平面零點；c)電氣設備端口阻抗宜考慮裝置的穩態、動態性能約束。5.2多級級聯阻抗匹配要求多級級聯系統為電力系統中兩個或多個電氣設備之間僅以前后級聯形式連接組成系統，電氣設備間存在多級級聯阻抗匹配要求。多級級聯系統應確保系統內任一級聯點的穩定性，多級級聯系統狀態示意圖如圖1所示。級聯點阻抗匹配要求通常由其阻抗比(由控制特性決定)的增益裕度與相位裕度表征。針對直流型電氣設備，一般采用奈奎斯特判據獲取相關裕度結果；針對交流型電氣設備，一般采用廣義奈奎斯特判據獲取相關裕度結果。輸出阻抗輸入阻抗圖1多級級聯系統狀態示意圖考慮實際電氣設備的多樣性和運行復雜性，按負載性質分類，并以區間形式給出級聯點電氣設備阻抗匹配要求推薦值，見表1。3表1多級級聯系統電氣設備阻抗匹配要求推薦值負載性質相位裕度推薦區間增益裕度推薦區間剛性負載(負載有功/無功功率與電壓存在線性關系)(負載有功/無功功率與電壓存在非線性關系)5.3多機串并聯阻抗匹配要求多機串并聯系統為電力系統中多個電氣設備之間以串聯、并聯等多種形式組成的單母線或多母線系統，此時母線內或母線間存在電氣設備多機串并聯阻抗匹配要求。多機串并聯系統應確保系統內任一母線穩定性，多機串并聯系統狀態示意圖如圖2所示。(阻抗匹配)直流直流直流(阻抗匹配)(阻抗匹配)直流圖2多機串并聯系統狀態示意圖多機串并聯母線穩定性可由連接至該母線的電氣設備聚合阻抗比(由控制特性決定)的增益裕度與相位裕度表征。針對直流母線，一般采用奈奎斯特判據獲取相關裕度結果；針對交流母線，一般采用廣義奈奎斯特判據獲取相關裕度結果。考慮實際電氣設備的工況復雜性和電源-儲能-負載互動情況，按母線性質分類以區間形式給出多機串并聯狀態下母線系統電氣設備阻抗匹配要求推薦值，見表2。表2多機串并聯系統電氣設備阻抗匹配要求推薦值母線性質相位裕度推薦區間增益裕度推薦區間剛性母線系統(母線功率變化范圍在額定功率的70%～110%)(母線功率變化范圍在額定功率的10%～130%)46實施要求6.1設計階段阻抗匹配要求6.1.1設計階段阻抗匹配內容設計階段阻抗匹配內容一般包括系統網絡結構構建、電氣設備運行工況分析評估、端口阻抗理論建模、電氣設備穩定性評估，端口阻抗匹配設計。交流母線系統與直流母線系統設計流程相同。6.1.2系統網絡結構構建系統網絡結構構建要求如下：a)應明確電氣設備所屬的系統，確定系統的類型與結構，分析不同工況下設備與其他電氣設備及系統之間的電氣連接關系和穩態工作點，并說明工況切換模式及相應的控制策略；b)基于實際運行工況，按母線系統類別構建系統等效示意圖如圖3、圖4所示，包括各級電氣設備及其電氣連接關系等內容。交流母線交流母線電機交流負載儲能直流發電機交流 交流圖3交流母線系統等效圖儲能負載電機直流圖4直流母線系統等效圖6.1.3電氣設備運行工況分析評估電氣設備運行工況分析評估要求如下：a)應明確電氣設備的運行工況和內部信息，包括但不限于電氣設備端口額定電壓、功率，不同工5況下與其他電氣設備之間的電氣連接關系和穩態工作點，工況切換模式和控制策略；b)基于工程實踐經驗和仿真結果，對電氣設備潛在的小信號失穩問題進行風險排序，包括但不限于多級級聯阻抗不匹配失穩、多機串并聯阻抗不匹配失穩；c)建立高風險工況與對應失穩問題的映射關系，參見5.2和5.3中阻抗匹配相關指標要求明確電氣設備阻抗匹配要求。6.1.4端口阻抗理論建模端口阻抗理論建模步驟和要求如下。a)明確電氣設備端口類型：確定需建模的電氣設備端口，如直流變換器、整流器、逆變器、變頻器、電力電子變壓器、有源濾波器、不間斷電源等設備的阻抗建模。b)確定建模精度：明確在特定頻率范圍內的端口阻抗精度要求，如直流變換器在1/2開關頻率以上的精度、交流變換器在工頻及工頻倍頻附近的精度，與測量結果的精度誤差一般控制在5%以內，關鍵失穩風險頻段的精度誤差一般控制在1%以內，關鍵失穩風險頻段為阻抗建模穩定性分析后獲取的在阻抗幅值交截區或阻抗幅值未交截但最接近交截的區域。c)選取建模方法：根據電氣設備電路與控制特性以及所需的建模精度要求，選取合適的小信號阻抗建模方法，現有建模手段包括但不限于狀態空間平均建模法、廣義狀態空間平均建模法、擴展描述函數法、諧波線性化建模法和諧波狀態空間建模法。對于直流變換器、有源濾波器、不間斷電源宜使用狀態空間平均建模法，對于單相逆變器宜使用廣義狀態空間平均建模法，對于三相逆變器、變頻器、電力電子變壓器宜使用諧波線性化建模法。d)阻抗模型結果校驗與修正：利用阻抗測量技術獲取電氣設備端口阻抗測量結果，與理論阻抗模型進行校對，根據所需精度誤差判定阻抗模型精度是否滿足分析設計要求并開展修正工作，直到滿足b)確定的建模精度。6.1.5電氣設備穩定性評估電氣設備穩定性評估內容要求如下：a)風險工況穩定性分析：針對工況分析結果中篩選出的高風險工況，應選取合適的阻抗判據開展穩定性分析，計算風險工況的增益裕度和相位裕度；b)失穩風險頻段定位：基于阻抗伯德圖識別是否存在不同電氣設備端口阻抗幅值發生阻抗交截的頻段，若存在阻抗交截的頻段，則該阻抗交截頻段為失穩風險頻段；若無阻抗交截頻段，兩者阻抗幅值之間的差值小于3dB的頻段，一般也應視為失穩風險頻段；c)主要失穩源定位：基于阻抗判據，分析失穩風險頻段處各電氣設備阻抗特性對穩定裕度的影響，利用敏感性分析方法對不同風險工況下電氣設備失穩貢獻進行排序。6.1.6端口阻抗匹配設計端口阻抗匹配設計要求如下：a)制定設計目標：應根據阻抗匹配指標要求明確阻抗設計目標；b)制定端口阻抗標準：應根據阻抗設計目標，采用阻抗匹配判據形成失穩風險頻段處電氣設備端口阻抗幅值與相位要求；c)電氣設備運行參數可行域確定：宜考慮電氣設備穩態、動態性能約束，確定電氣設備硬件參數和控制參數的可行域；d)電氣設備運行參數敏感性分析：基于單因素分析、全局敏感性分析等方法評估端口阻抗對設備參數變化的敏感程度并篩選敏感參數；e)阻抗重塑實現：可采用電氣設備軟硬件參數整定、虛擬阻抗等方法重塑電氣設備端口阻抗使其6滿足端口阻抗標準，實現手段應兼顧經濟性和有效性。6.2調試階段阻抗匹配要求6.2.1調試階段阻抗匹配內容調試階段阻抗匹配內容一般包括電氣設備阻抗信息獲取、系統穩定性評估、阻抗匹配修正。6.2.2電氣設備阻抗信息獲取電氣設備阻抗信息獲取要求如下：a)數據采集：船舶電氣設備具備端口信息采集接口，可采集實時運行過程中的電壓、電流信息，采集頻率范圍應大于或等于阻抗測量頻段要求；b)數據處理：宜考慮控制器處理能力選取合適的信號處理方法對由傳感器實時獲取的電氣設備電壓、電流信息進行預處理；c)狀態感知：根據預處理狀態信息，利用閾值判斷法、人工智能算法等方法判斷電氣設備穩定性情況及風險，設備誤判率一般小于1%;d)電氣設備端口阻抗獲取：利用功率注入源實施船舶電氣設備阻抗在線測量，在線獲取電氣設備端口阻抗信息，其測量范圍應覆蓋關鍵失穩頻段，其刷新頻率由電氣設備運行特性決定，應確保其滿足響應需求。6.2.3系統穩定性評估系統穩定性評估內容及要求如下：a)裕度計算：基于獲取的電氣設備阻抗信息在系統監控上位機中計算各類潛在阻抗不匹配失穩工況的增益與相位裕度；b)風險評估：基于裕度計算結果判斷電氣設備失穩風險情況，風險評估范圍應覆蓋全工況。6.2.4阻抗匹配修正阻抗匹配修正內容及要求如下：a)阻抗修正方案選擇：根據系統穩定性風險評估結果，若電氣設備存在較大失穩風險，選取合適的阻抗重塑方法，如控制參數整定、虛擬阻抗，宜盡可能減小其對電氣設備現有性能影響；b)阻抗修正：根據選取的阻抗修正方案，應結合電氣設備與電力系統的實現能力，保證其實現可靠性和響應快速性。7驗證要求7.1阻抗匹配評價和驗證內容阻抗匹配評價和驗證內容應包括評價指標與驗證方法。7.2評價指標阻抗匹配評價應包括阻抗匹配實現效果評價和阻抗匹配有效性評價，指標要求如下：a)阻抗匹配實現效果評價指標：全工況條件下電氣設備測量阻抗與設計阻抗偏差在剛性母線系統中應小于3%,在柔性母線系統中應小于1%;b)阻抗匹配有效性評價指標：全工況條件下電氣設備不存在小干擾失穩問題，穩態、動態性能滿足技術要求。77.3驗證方法7.3.1一般規定阻抗匹配驗證方法應根據驗證對象、潛在失穩問題及試驗條件，選取驗證方式，開展驗證。7.3.2驗證方式阻抗匹配驗證工況一般包含額定運行工況和高風險失穩工況，驗證內容一般包括電氣設備單機穩定性驗證、多級級聯狀態穩定性驗證和多機串并聯狀態穩定性驗證。阻抗匹